I n h i b i si Ca m p u r a n

© 2003 Digit ized by USU digit al library 18 seperti proton atau ion logam. Sebagaimana diketahui bahwa, inhibisi yang tidak kompetitif adalah sangat penting bagi enzim dengan multisubstrat.

C. I n h i b i si Ca m p u r a n

Jika baik enzim dan senyawa substrat-enzim mengikat inhibitor, maka model berikut ini akan dihasilkan : E+S == ES P + E + + I I K1 K1 EI ESI Tanpa reaksi Kedua langkah pengikatan – inhibitor ini dianggap terjadi pada kesetimbangan tetapi dengan konstanta disosiasi yang berbeda : ] ESI [ ] I [ ] ES [ K dan ] EI [ ] I [ ] E [ K I I = = [ 1 . 2 7 ] Fenomena ini adalah dikenal sebagai inhibisi campuran mixed inhibition atau inhibisi yang tidak kompetitif non competitive inhibition. Kemungkinan, inhibisi campuran berikatan dengan bahagian site enzim yang ikut serta baik dalam pengikatan substrat dan katalisator. Persamaan Michaelis – Menten untuk inhibisi campuran adalah : ] S [ a K ] S [ V V M max o + = α [ 1 . 2 8 ] Dimana α dan α ’ telah didefinisikan dalam pers [1.20] dan [1.25]. Juga dapat dilihat dari persamaan [1.28] bahwa nama dari inhibisi campuran muncul dari fakta bahwa denominator merupakan faktor α yang dikalikan K M seperti dalam inhibisi kompetitif, persamaan [1.21] dan faktor α ’ dikali dengan [S] seperti dalam inhibisi tidak kompetitif persamaan [1.24]. Inhibisi campuran ini akan efektif, baik dalam konsentrasi substrat yang tinggi dan rendah. Persamaan Lineweaver – Burk untuk penghambatan campuran adalah : © 2003 Digit ized by USU digit al library 19 max max M o V ] S [ I V K V I α α +     = [ 1 . 2 9 ] Plot dari persamaan ini terdiri dari garis yang memiliki kemiringan slope α K M V m dengan perpotongan terhadap 1V o ,adalah α ’Vmax dan perpotongan terhadap 1[S] adalah - α ’ α Km. Manipulasi aljabar dari persamaan [1.29] untuk nilai yang berbeda dari [I] menunjukkan bahwa persamaan ini menjelaskan kumpulan garis yang memotong sisi kiri dari sumbu 1V o Gambar 8 ; untuk kasus khusus dimana K 1 = K 1 ’ α = α ’, perpotonganya adalah pada aksis 1[S]. Tabel 2 memberikan ringkasan dari hasil awal yang melibatkan inhibisi Michaelis - Menten sederhana. Persamaan K M dan V max adalah nilai yang terlihat dari K M dan V max yang secara actual diamati dengan adanya inhibitor untuk persamaan Michaelis – Menten yang menjelaskan enzim yang dihambat. 4 . Ef e k p H Enzim, berupa protein, memiliki sifat yang sensitive terhadap pH. Sebagian protein adalah hanya aktif di dalam trayek pH sempit, umumnya 5 hingga 9. Ini adalah merupakan hasil pengaruh dari pH atas kombinasi faktor 1 ikatan dari substrat ke enzim 2, aktivitas katalitik dari enzim, 3 ionisasi substrat dan 4 variasi struktur protein biasanya signifikan hanya pada pH yang cukup tinggi. Ke t e r g a n t u n g a n p H d a r i e n z y m M i ch a e l i s – M e n t e n Se d e r h a n a Kecepatan awal untuk reaksi enzimatik memperlihatkan kurva berbentuk lonceng sebagai fungsi pH gbr. 9. Kurva ini memperlihatkan ionisasi dari berbagai residu asam amino yang harus ada di dalam kondisi ionisasi spesifik untuk kegiatan enzim. Model berikut ini dapat dipakai untuk berbagai pengaruh pH. Dalam pengembangan mekanisme reaksi satu substrat sederhana – tanpa balik, akan dianggap bahwa hanya EH dan ESH yang aktif mengkatalisa. Persamaan Michaelis – Menten untuk model ini adalah : V max [S] V o = [1.30] K max + [S] Disini parameter Michaelis Menten didefinisikan sebagai © 2003 Digit ized by USU digit al library 20 V max = V max f 2 dan K M = K M f 1 f 2 Dimana : [ H + ] K E 2 f 1 = + 1 + K E 1 [H + ] [H + ] K ES 2 f 2 = + 1 + K ES 1 [H + ] dan V max dan K M merujuk pada bentuk aktif dari enzim, EH dan ESH. Sebagai catatan bahwa pada pH tertentu, persamaan [1.30] merupakan persamaan sederhana dari Michaelis – Menten, tetapi karena ketergantungan pH dari f 1 dan f 2 , V o bervariasi dengan pH dalam bentuk lonceng. Ev a l u a si Ko n st a n t a I o n i sa si Konstanta ionisasi dari enzym yang mengikuti persamaan [1.30] dapat dievaluasi dengan analisis kurva dari log V max versus pH, yang memberikan nilai K ES1 dan K ES2 gbr 10a dan log V max K M versus pH yang menghasilkan K E1 dan K E2 . gbr 10b. Tentu saja ini menunjukkan penentuan parameter Michaelis Menten dari serangkaian pH yang berbeda. U k u r a n p K s i n i s e r i n g m e n j a d i p e t u n j u k b e r h a r g a u n t u k m e n g i d e n t i f i k a s i r e s i d u e s e n s i a l d a r i a s a m a m i n o k a r e n a a k t i v i t a s e n z i m a t i k . M i s a l n y a , u k u r a n p K ~ 4 m e n y a t a k a n b a h w a r e s i d u A s p a t a u G l u a d a l a h e n s e n s i a l b a g i e n z i m . S a m a j u g a , u n t u k p K s ~ 6 a t a u ~ 1 0 m e n y a t a k a n p a r t i s i p a s i d a r i r e s i d u H i s a t a u L y s s e c a r a b e r t u r u t a n . 2 . M e t a b o l i sm e Metabolisme adalah suatu proses reaksi kimia yang terjadi di dalam mahluk hidup, mulai dari mahluk bersel satu yang sangat sederhana seperti bakteri, jamur, tumbuhan, hewan sampai manusia. Di dalam proses ini mahluk hidup mendapat, mengubah, dan memakai senyawa kimia dari sekitarnya untuk kelangsungan hidupnya. Kelangsungan reaksi kimia di dalam metabolisme dari © 2003 Digit ized by USU digit al library 21 permulaan sampai ke suatu hasil akhir disebut jalur metabolisme. pat hw ay . Senyawa yang terbentuk selama jalur metabolisme berlangsung disebut senyawa antara int erm ediat e . Metabolisme meliputi proses sintesis anabolisme dan proses penguraian katabolisme senyawa atau komponen di dalam sel hidup. Melalui jalur anabolisme terbentuk senyawa. Diperlukan sejumlah energi supaya proses anabolisme terjadi. Reaksi kimia yang terjadi meliputi sintesis dari ikatan –C-C- sintesa asam lemak, ikatan –CO-N- sintesa protein, ikatan C-N- sintesis urea, dan ikatan –C-O- sintesa trigliserida memerlukan energi. Unsur kimia dan senyawa digunakan untuk membentuk senyawa baru yang lebih besar. Sebaliknya melaui jalur katabolisme akan terjadi penguraian senyawa menjadi komponen yang lebih kecil. Misalnya, katabolisme glukosa akan terurai menjadi karbon dioksida CO 2 dan air H 2 O. Di dalam proses katabolisme sejumlah energi dilepaskan; sebagian dipakai oleh sel dan sisanya hilang sebagai panas. Produksi energi untuk keperluan sel terjadi dalam tiga tahap; 1 molekul-molekul besar komponen makanan seperti protein, pati, lemak dipecah selama proses pencernaan dan penyerapan menjadi molekul-molekul yang lebih kecil seperti asam amino, monosakarida dan asam lemak, 2 sebagian besar molekul-molekul yang lebih sederhana ini selanjutnya diuraikan menjadi senyawa antara intermediate yang terdiri dari dua atom karbon yakni asam asetat CH 3 COOH dan 3 asam asetat dipecah menjadi air dan karbon dioksida. Elektron dan ion hidrogen yang dilepaskan selama proses metabolisme ini disumbangkan ke atom oksigen membentuk air. Sebahagian energi yang dihasilkan di dalam proses katabolisme ini memicu sintesa adenosin tripospat ATP. ATP adalah energi di dalam suatu bentuk yang digunakan sel. Ketiga tahapan katabolisme ini dapat dilihat seperti di dalam Gambar 11 berikut. Karbohidrat Lemak Protein glukosa asam lemak asam amino alkohol CO 2 CO 2 Ga m ba r . 9 . Ikhtisar umum dari katabolismeWardlaw Kessel, 2002 H 2 O ½ O 2 e Rantai transportasi elektron siklus sitrat ATP © 2003 Digit ized by USU digit al library 22 D . En e r gi u n t u k se l Energi yang digunakan oleh manusia bersasal dari ikatan kimia yang terdapat diantara atom di dalam karbohidrat, protein, lemak dan alkohol. Energi tersebut terbentuk selama proses fotosintesa pada saat tanaman menggunakan energi matahari untuk membentuk glukosa dan senyawa organik lainnya. Reaksi- reaksi kimia di dalam fotosintesa membentuk senyawa yang mengandung lebih banyak energi daripada di dalam karbon dioksida dan air. Badan manusia akan mengubah energi ikatan kimia yang terjerat di dalam karbohidrat, lemak, protein menjadi energi dalam bentuk lain yakni: 1 Energi kimia yang membantu senyawa baru seperti glikogen dari molekul- molekul monosakarida 2 Energi mekanik yang menggerakkan otot 3 Energi osmotik yang mempertahankan kesetimbangan ion di dalam sel- sel. Hasil samping dari transformasi energi ini adalah CO 2 , H 2 O dan panas. Bentuk energi yang digunakan sel untuk proses kimia, listrik, mekanik dan osmotik umumnya adalah ATP. Untuk melepaskan energi dari ATP, sel memecahkannya menjdi adenosin dipospat ADP plus Pi, gugus pospat anorganik yang bebas. ADP dapat juga dipecah menjadi adenosin monopospat AMP plus Pi untuk menghasilkan energi di dalam otot yang berekasi agar mampu bekerja selama latihan yang intensif pada saat ATP terbatas ADP + ADP ATP + AMP. Jalur metabolisme terdapat di dalam setiap sel yang dapat menggabungkan ADP dan Pi membentuk ATP. Suatu enzim kemudian memecahkan ikatan ATP untuk melepaskan energi untuk reaksi metabolisme. ATP sendiri sangat stabil, sehingga diperlukan suatu enzim untuk membuka energi yang tersimpan di dalam molekulnya. Selama metabolisme, suatu sel secara kontiniu memecahkan ATP di dalam suatu organel sementara pembentukan di dalam organel yang lain. Di dalam suatu sel otot yang kelelahan memiliki ADP pada konsentrasi yang tinggi sedangkan ATP dengan konsentrasi yang rendah. Jika ini terjadi, aktivitas sel otot seperti kontraksi otot dapat menurun atau berhenti. Dengan konsentrasi ATP yang rendah kemudian akan merangsang proses metabolisme yang akan menghasilkan ATP. Hanya dengan re-sintesa ATP yang dibutuhkan dapat mengaktifkan otot siap untuk melakukan fungsi selanjutnya. Re a k si ok sida si- r e du k si di da la m m e t a bolism e Reksi oksidasi-reduksi membentuk suatu hubungan yang vital diantara nutrient penghasil energi dengan pembentukan ATP. Pengertian dasar dari oksidasi dan reduksi dapat diterangkan sebagai berikut. Suatu zat dioksidasi jika zat tersebut kehilangan satu elektron atau lebih. Suatu zat direduksi jika zat tersebut memperoleh satu elektron atau lebih. Aliran elektron menentukan proses reduksi-oksidasi. Jika suatu zat kehilangan elektron teroksidasi, zat lain harus memperoleh elektron tereduksi. Kedua proses berlangsung serentak; satu dengan yang lain saling terkait. Tidak mungkin satu proses terjadi tanpa yang lainnya. Contoh proses reduksi-oksidasi sebagai berikut. Zn + Cu 2++ Zn 2++ + Cu Disini, Zn telah kehilangan dua elektron telah teroksidasi, Cu telah mendapatkan dua elektron tereduksi. Contoh lain adalah besi di dalam hemoglobin, yang dapat teroksidasi dari Fe 2+ menjadi Fe 3+ dan reduksi dari Fe 3+ menjadi Fe 2+ . Hal ini terjadi selama transportasi oksigen ke sel-sel badan. Reaksi oksidasi-reduksi yang melibatkan senyawa-senyawa karbon agak sulit menggambarkan aliran elektron seperti pada senyawa anorganik seperti contoh diatas. Suatu aturan yang sederhana telah dikembangkan untuk menentukan reaksi redoks. Jika suatu senyawa organik mengikat oksigen atau kehilangan hidrogen, zat tersebut dinyatakan teroksidasi. Jika kehilangan oksigen atau mengikat hidrogen, senyawa itu dinyatakan tereduksi. Contoh reaksi: © 2003 Digit ized by USU digit al library 23 oksidasi CH 3 -CH 3 CH 3 -CH 2 -OH reduksi reduksi CH 3 -CO-CO-OH CH 3 -COH-CO-OH Asam piruvat oksidasi asam laktat Metode ini menentukan oksidasi–reduksi adalah dengan menentukan perobahan kandungan atau pertukaran oksigen dan hidrogen yang digunakan di dalam ilmu gizi. Reaksi reduksi-oksidasi di dalam tubuh dikendalikan oleh enzim-enzim. Satu kelompok yang penting dari enzim ini ialah disebut sebagai dehy drogenase , mampu mengusirmengeluarkan hidrogen dari zat gizi penghasil energi atau hasil peruraiannya dan menyumbangkan hidrogen ke aseptor terakhir oksigen membentuk air. Di dalam proses ini, sejumlah besar energi dipindahkan ke ADP plus Pi membentuk ATP. Dua vitamin B, niacin dan riboflavin, membantu enzim hidrogenase, secara bergantian, berperan di dalam pemindahan hidrogen dari glukosa ke oksigen di dalam jalur metabolisme dari sel. Niacin berfungsi sebagai co-enzim nicot inam ide adenin dinucleot ide NAD. Ini adalah bentuk teroksidasi yang dapat menerima dua ion hidrogen dan dua elektron membentuk NADH + H + kelebihan ion hidrogen tetap bebas di dalam sel. Dengan kata lain, bentuk oksidasi dari niacin, NAD, direduksi membentuk NADH+ H + . Perlu diketahui bahwa NAD sebenarnya NAD + , menunjukkan kekurangan satu elektron dibandingkan dengan bentuk konfigurasi keseluruhan. Dengan menerima dua elektron dan dua ion hidrogen, NAD + menjadi NADH + H + , tanpa muatan. Muatan NAD + diabaikan untuk mempermudah pembahasan. NAD + + 2H + + 2 e - NADH + H + Riboflavin berfungsi dengan peranan yang sama. Di dalam bentuk oksidasi, dikenal sebagai flav in adenine dinucleot ide FAD. Jika tereduksi menerima dua hidrogen, ekivalen dengan dua ion hidrogen dan dua elektron, maka dikenal sebagai FADH 2 . Reduksi oksigen O menjadi air H 2 O menghasilkan daya dorong untuk kehidupan, karena sangat penting untuk sel mensintesa ATP lihat Gambar 12. Maka reaksi reduksi-oksidasi merupakan satu kunci di dalam kehidupan. Ga m ba r 1 2 . Struktur dari adenosin trifospat dan zat-zat yang berkaitan. Bentuk ionik yang ditunjukkan merupakan bentuk berlimpah pada pH 7. ATP bekerja untuk memberi gugus fosforil kepada suatu penerima gugus fosforil. Di dalam sel ATP dan ADP tidak ada dalam bentuk bebas, melainkan sebagai suatu kompleks dengan ion Mg 2+ , seperti dilukiskan disini Page, 1989. © 2003 Digit ized by USU digit al library 24 2 .1 . M e t a bolism e Ka r boh idr a t Glik olisis Glikolisis secara harafiah berari pemecahan glukosa. Jalur glikolisis di temukan di dalam sitosol dari sel, mempunyai dua peran; pemecahan monosakarida untuk menghasilkan energi dan menyediakan satuan pembentuk untuk sintesa senyawa yang diperlukan sel seperti gliserol untuk sintesa trigliserida atau lemak. Sebelum glikolisis dapat berlangsung, sebuah sel harus memperoleh glukosa. Hanya beberapa jenis sel seperti sel-sel hati dan buah pinggang kidney yang dapat menghasilkan glukosa dari asam amino, dan hanya hati dan sel-sel jaringan menyimpan glukosa dalam jumlah besar. Glukosa ini disimpan sebagai glikogen. Hati dan jaringan memecahkan glikogen menjadi glukosa atau bentuk monosakarida lain. Sel-sel badan lainnya harus memperoleh glukosa dari sirkulasi darah, sehingga badan perlu mempertahankan suatu konsentrasi yang relatif tetap dari glukosa darah supaya dapat hidup. Hasil glikolisis adalah dua unit senyawa yang mengandung tiga atom karbon yaitu asam piruvat. Sebahagian sel-sel mengubah asam piruvat menjadi asam laktat. Glikolisis dimulai dengan penambahan satu gugus fospat ke glukosa, sehingga menjadi lebih reaktif. Satu gugus fospat yang lainnya di tambahkan ke senyawa glukosa-fospat yang baru terbentuk yang kemudian dipecah menjadi senyawa karbon yang mengandung tiga atom karbon. Senyawaan ini diubah melalui serangkaian tahapan menjadi dua molekul piruvat. Maka dalam glikolisis sebuah sel memulai dengan satu molekul glukosa dan menghasilkan dua molekul yang mengandung tiga atom karbon yakni piruvat. Di dalam proses ini empat hidrogenmengandung total empat elektron dikeluarkan dan empat ATP terbentuk. Elektron dan hidrogen ditangkap oleh pembawa carrier dalam hal ini NAD. Setiap NAD bentuk teroksidasi menerima dua elektorn dan satu ion hidrogen, menghasilkan NADH + H + bentuk tereduksi. Maka salah satu hasil akhir dari glikolisis adalah juga sintesa dari dua NADH + H + , dengan pelepasan dua ion hidrogen. Di dalam glikolisis, reaksi pertama melibatkan satu ATP menyumbangkan satu gugus fospat ke glukosa. Pada tahap ketiga, satu lagi ATP digunakan menambah satu gugus fospat kedua. Maka untuk memulai jalur ini, satu sel memakai dua ATP. Pada saat molekul yang mengandung tiga atom karbon diubah menjadi piruvat, masing-masing menghasilkan dua ATP, sehingga total ada 4 ATP. Energi bersih yang dihasilkan sejauh ini dari glikolisis adalah dua ATP, karena dua ATP digunakan didalam proses dan empat ATP di hasilkan. Masih ada ATP yang akan terbentuk; ini hanya menyatakan sebanyak 5 dari total produksi ATP yang mungkin dari satu molekul glukosa. Energi kimia yang disimpan di dalam ikatan NADH akhirnya dapat ditransfer ke ATP. Pada umumnya setiap NADH + H + menyumbangkan energi yang cukup untuk menghasilkan 2,5 ATP. Maka NADH + H + adalah satu bentuk dari energi potensial untuk sel. Pada akhirnya sel memakai energi di dalam NADH + H + membentuk ATP. Pr odu k si la k t a t a da la h t it ik a k h ir da r i glik olisis a n a e r obik Sebagian sel kekurangan jalur yang membutuhkan oksigen aerobik diperlukan untuk memakai NADH + H + untuk sintesa ATP, dan pada saatnya sel- sel ini kurang mampu memakai proses ini untuk me-recycle NADH + H + kembali menjadi NAD. Misalnya sel darah merah. Maka, pada saat sel darah merah mengubah glukosa menjadi piruvat, NADH + H + meningkat di dalam sel. Akhirnya konsentrasi NAD menurun terlampu rendah sehingga glikolisis berlanjut, karena kebanyakan NAD ada di dalam bentuk NADH + H + . Untuk mengimbanginya, satu sel darah merah mereaksikan piruvat dengan satu NADH + H + dan satu ion hidrogen bebas membentuk laktat, lihat Gambar 11. Di dalam proses itu, NADH + H + berobah menjadi NAD. Proses ini memungkinkan sel darah merah untuk menyediakan sendiri resupply itself dengan NAD karena sel-sel ini tidak © 2003 Digit ized by USU digit al library 25 mengandung m it ochondria . Otot yang sedang latihan juga menghasilkan laktat jika kekurangan NAD. Bertambahnya laktat kemudian akan menyebabkan otot menjadi lelah fatigue. Produksi laktat oleh suatu sel memungkinkan glikolisis anaerobik berlanjut karena disini tetap ada suatu pasokan dari NAD. Lagi pula, jalur ini menghasilkan hanya sekitar 5 dari potensial ATP per molekul glukosa. Tetapi untuk sebagian sel-sel seperti sel darah Ga m ba r 1 3 . Tahapan reaksi glikolisis: glukosa menjadi piruvat Wardlaw Kessel, 2002 merah, glikolisis anaerobik adalah satu-satunya metode untuk menghasilkan ATP. Asam laktat dilepaskan ke peredaran darah, ditangkap terutama oleh hati dan disintesa menjadi glukosa. Fe r m e n t a si a lk oh ol Dalam beberapa jasad renik seperti ragi, glukosa dioksidasi menghasilkan etanol dan CO 2 dalam proses yang disebut fermentasi alkohol. Jalur metabolisme proses ini sama dengan glikolisis sampai dengan terbentuknya piruvat. Dua tahap reaksi enzim berikutnya adalah reaksi perubahan asam piruvat menjadi asetaldehide, reaksi reduksi asetaldehide menjadi alkohol. Dalam reaksi yang pertama piruvat didekarboksilasi diubah menjadi asetaldehide dan CO 2 oleh piruv at dekarboksilase , suatu enzim yang tidak terdapat dalam hewan. Reaksi dekarboksilasi ini merupakan reaksi yang tidak reversible, membutuhkan ion Mg ++ dan koenzim tiamin piropospat. Dalam reaksi terakhir, asetaldehide direduksi oleh NADH dengan enzim alkohol dehidrogenase , menghasilkan etanol. Dengan demikian etanol dan CO 2 merupakan hasil akhir fermentasi alkohol, dan © 2003 Digit ized by USU digit al library 26 jumlah energi yang dihasilkannya sama dengan glikolisis anaerob, yaitu 2 ATP lihat Gambar 14. Ga m ba r 1 4 . Metabolisme karbohidrat: fermentasi alkohol Wirahadikusumah, 1985 Sik lu s Asa m Sit r a t Dua molekul piruvat atau laktat yang terbentuk pada akhir dari glikolisis masih mengandung banyak energi yang tersimpan. Piruvat lewat dari sitosol sel ke mitokondria. Kemudian sebuah sel memakai jalur-jalur yang ada untuk mengeluarkan energi yang masih sisa dari piruvat untuk membentuk ATP. Satu jalur kunci yang disebut siklus asam sitrat. Sebelum siklus asam sitrat dapat berlangsung, piruvat harus melepaskan satu gugus karbon dioksida dan akhirnya membentuk asetil-CoA. Reaksi ini bersifat irreversible dan memiliki konsequensi metabolik yang penting. Pada saat asam piruvat diobah menjadi asetil-CoA, satu lagi NADH + H + akan terbentuk, sehingga akan dihasilkan lagi molekul ATP. Perobahan piruvat menjadi asetil-CoA membutuhkan vitamin B tiamin, riboflavin, niacin, dan asam pantotenat. Maka, metabolisme karbohidrat tergantung pada adanya vitamin-vitamin ini. Siklus asam sitrat Siklus Krebs atau Siklus TCA adalah suatu urutan reaksi-reaksi kimia yang rapi dan bagus, digunakan oleh sel untuk mengubah karbon dari asetat menjadi karbon dioksida dan untuk menghasilkan energi. Asetil-CoA memasuki siklus, dan akhirnya reaksi-reaksi menghasilkan dua molekul karbon dioksida. Di dalam proses ini, sel menghasilkan NADH + H + dan molekul-molekul lain yang terkait yang akhirnya digunakan membentuk banyak ATP. Siklus asam sitrat lihat Gambar 15 dimulai dengan bergabungnya asetil- CoA dengan asam oksaloasetat membentuk asam sitrat. Di dalam proses ini, molekul CoA dilepaskan. Di dalam satu putaran siklus asam sitrat, molekul asam sitrat dimetaboliser menjadi molekul oksaloasetat dan dua molekul karbon dioksida dilepas. Siklus siap untuk mulai lagi. © 2003 Digit ized by USU digit al library 27 Ga m ba r 1 5 . Hubungan antara berbagai tahap pada oksidasi piruvat Page, 1989 Setiap molekul FADH 2 menyediakan cukup energi untuk mensintesa 1,5 ATP, lebih rendah satu dibandingkan dengan NADH + H + . Untuk melihat secara keseluruhan metabolisme karbohidrat, sel memulainya dengan glukosa dan akhirnya menghasilkan enam molekul karbon dioksida. Harus diingat bahwa harus terjadi dua putaran siklus asam sitrat untuk memproses satu molekul glukosa, karena molekul glukosa telah dipecah menjadi dua fragmen yang mengandung tiga atom karbon sebagai hasil glikolisis. Oleh karena itu, semua karbon di dalam glukosa dilepasakn dalam bentuk karbon dioksida. Akhirnya karbon dioksida meninggalkan tubuh melalui paru-paru. Di dalam proses ini, ATP disintesa langsung dengan memakai baik glikolisis dan jalur siklus asam sitrat, dan NADH + H + dan FADH 2 dibentuk dari NAD dan FAD. Molekul-molekul NADH + H + dan FADH 2 dapat digunakan sebagai sumber energi yang diperlukan untuk sintesa ATP di dalam rantai transport elektron. © 2003 Digit ized by USU digit al library 28 Dengan cara ini sebagian energi di dalam bentuk ikatan kimia di dalam glukosa ditransfer ke ATP. Maka, sebagian energi didalam makanan menghasilkan satu bentuk energi yang dapat dimanfaatkan oleh sel, daripada hanya diubah menjadi panas, sebagaimana terjadi jika makanan dibakar dengan api. Dengan istilah teknik, sel memanfaatkan sebanyak 40 energi kimia dari glukosa ditransfer ke dalam bentuk ATP. Inilah tujuan utama dari metabolisme energi. Sisa energi sebanyak 60 terlepas sebagai panas melalui semua reaksi-reaksi yang terjadi dimana ATP, GTP, NADH + H + , atau FADH 2 tidak terbentuk. Perbandingan yang sama 40:60 ini juga berlaku pada energi metabolisme lemak dan asam amino. Hal ini sudah cukup effisien dibandingkan dengan mesin mobil yang hanya mampu memanfaatkan 10 dari energi di dalam bensin. Ra n t a i t r a n spor t e le k t r on da la m sin t e sa ATP Selama metabolisme protein, karbohidrat, lemak, dan alkohol, sel menghasilkan NADH + H + dan FADH 2 . Kebanyakan sel dapat memakai senyawa ini untuk sintesa ATP. Jalur yang melaksanakan pertukaran ini disebut rantai transport elektron. Proses ini terjadi di bagian dalam membrane mitokondria disebut posporilasi oksidatif oxidat ive phosphorylat ion . Mineral besi dan tembaga diperlukan untuk proses ini. Di dalam rantai transport elektron, NADH memberikan energi kimianya ke senyawa yang berkaitan dengan FAD yang disebut flav in m ononucleot ide FMN. FMN ini diikuti pada suatu sambungan oleh Coenzim Q, yang memisahkan pasangan elektron sehingga mereka dapat meneruskan satu elektron setiap kali melalui tahapan selanjutnya dari rantai transport elektron. Kemudian hidrogen akan menempuh jalur lain. Struktur selanjutnya yang digunakan di dalam rantai transport elektron adalah suatu gugus dari molekul yang mengandung besi cyt ochrom e . Pada akhir dari rantai cytochrome adalah cytochrome khusus disebut cytochrome a 3 yang berfungsi untuk menyumbangkan semua elektron-elektron yang telah bergerak turun ke bagian bawah akhir rantai ke oksigan. Pada tahap akhir ini, ion hidrogen bergabung kembali dengan elektron menjadi hidrogen, yang kemudian bergabung dengan oksigen menjadi air. Jadi walaupun NADH + H + dan FADH 2 mentransfer hidrogennya ke rantai transport elektorn, harus diingat bahwa ion hidrogen H + tidak ditransfer bersamaan dengan elektron. Sesudah NADH + H + dan FADH 2 memindahkan hidrogen ke rantai transport elektron kemudian menjadi NAD dan FAD dan akan siap untuk mentransfer hidrogen dari hasil siklus sitrat ke rantai transport elektron. Di dalam proses ini oksigen sangat essensial, rantai transport elektron adalah bagian dari metabolisme aerobik. NADH + H + dan FADH 2 yang dihasilkan dari siklus asam sitrat dapat berubah menjadi NAD dan FAD hanya jika telah mentransfer elektron dan ion hidrogennya ke oksigen. Itulah sebabnya oksigen sangat mendasar bagi kehidupan; suatu penerima elektron dan ion hidrogen terakhir yang dihasilkan dari pemecahan zat gizi pemberi energi. Tanpa oksigen, kebanyakan sel tubuh kita tidak mampu mengambil energi yang cukup dari bahan bakar untuk mempertahankan kehidupan. Sintesis glikogen menggunakan suatu bentuk glukosa glukosa-1-pospat, dengan menambahkan molekul-molekul glukosa yang lain ke rantai glikogen yang telah terbentuk. Kumudian glikogen ini menjadi polisakarida persediaan sementara di dalam hati dan sel-sel otot. Kemudian jika glukosa diperlukan, glikogen dipecah menjadi glukosa sebagai senyawa glukosa-1-pospat, yang kemudian memasuki proses glikolisis. Enzim yang terlibat di dalam pemecahan glikogen memakai vitamin B-6. Jalur glikogenesis dan glikogenolisis lihat Gambar 16. © 2003 Digit ized by USU digit al library 29 2 .2 . M e t a bolism e Le m a k Lipolisis Lipolisis adalah bagian dari katabolisme trigliserida menjadi asam lemak bebas dan gliserol. Peruraian selanjutnya dari asam lemak untuk menjadi energi disebut oksidasi asam lemak, karena pelepasan electron dari asam lemak ke oksigen adalah rekasi keseluruhan di dalam proses produksi energi. Proses ini terjadi di dalam mitokhondria dan memenfaatkan energi menjadi ATP. Asam lemak dibebaskan dari jaringan cadangan lemak sel-sel adipose oleh enzim sejenis lipase yakni horm on- sensit iv e lipase . Aktivitas enzim ini meningkat oleh hormon glukagon, hormon pertumbuhan, epineprin dan yang lainnya; dan ditekan oleh hormon insulin. Asam lemak diambil dari sirkulasi darah oleh sel-sel dan dipindahkan dari sitosol ke dalam mitokhondria dengan bantuan suatu carrier yang disebut carnit ine . Pada orang sehat, sel-sel memproduksi carnitine yang diperlukan untuk proses ini. Selama penayakit akut pada pasien-pasien rawat inap di rumah sakit, sintesis carnitine mungkin terganggu sehingga tidak mencapai jumlah yang dibutuhakan. Oleh karena itu mungkin diperlukan pemberian makanan tambahan melalui intravena penyuntikan via pembuluh darah balik. Pada umumnya, asam lemak terdiri dari rantai karbon yang genap antara 2-26. Tahap pertama di dalam pengambilan energi dari asam lemak menjadi ATP oksidasi asam Ga m ba r 1 7 . Jalur glikogenesis dan glikogenolisis Murray et, 1997 © 2003 Digit ized by USU digit al library 30 lemak adalah memecahkan rangkaian atom karbon sebanyak dua setiap kali, dan mengubahnya menjadi fragmen asetil-CoA. Proses pengubahan asam lemak menjadi banyak molekul asetil-CoA lebih dikenal sebagai bet a- oksidasi lihat Gambar 18, karena atom karbon kedua pada asam lemak dihitung dari gugus karboksilat disebut karbon bet a . Selama beta-oksidasi berlangsung, NADH + H + dan FADH 2 dihasilkan sebagaimana oleh glukosa, asam lemak akhirnya dipecah menjadi senyawa yang mengandung dua atom karbon yakni asetat dalam bentuk asetil-CoA. Sebahagian energi kimia ditransfer ke NADH + H + dan FADH 2, asetil- CoA memasuki siklus asam sitrat dan dua karbon dioksida dihasilkan, sebagaimana dari glukosa. Maka, hasil pemecahan baik dari glukosa dan asam lemak, asetil-CoA, menjalani jalur yang sama yakni siklus asam sitrat. Salah satu perbedaan yang mendasar ialah bahwa asam lemak yang mempunyai 16 atom karbon akan menghasilkan 108 ATP, sementara glukosa yang terdiri dari 6 atom karbon menghasilkan 30-32 ATP. Hal ini memberikan perbandingan 7 ATP per atom karbon pada asam lemak dan kira-kira 5 ATP per atom karbon pada glukosa. Perbedaan ini adalah karena ikatan C-H yang lebih banyak pada asam lemak dibandingkan dengan pada glukosa. Proses okasidasi pada ikatan kimia dari suatu senyawa akan menghasilkan energi untuk mensintesa ATP. Perlu diketahui bahwa pada atom karbon di dalam glukosa juga terikat dengan gugus hidroksil -OH, dibandingkan hanya dengan atom hidrogen di dalam molekul asam lemak. Oleh karena itu, secara keseluruhan, karbon pada glukosa terdapat sebagai karbon yang lebih teroksidasi memiliki bilangan oksidasi yang lebih tinggi. Hal ini lah yang menyebabkan lebih banyak energi yang dikandung oleh asam lemak lebih tereduksi dari pada karbohidrat. Berapa pun jumlah atom karbon dari asam lemak selalu diuraikan menjadi asetil-CoA. Kadang-kadang, suatu asam lemak yang terdiri dari atom karbon yang ganjil, sel akan membentuk banyak asetil-CoA, plus satu senyawa yang mengandung tiga atom karbon yakni propionil-CoA yang kemudian langsung memasuki siklus asam sitrat. Ga m ba r 1 8 . Satu siklus dalam daur beta-oksidasi dari asam lemak rantai panjang Brody, 1994 © 2003 Digit ized by USU digit al library 31 Ke t oge n e sis Ketone bodies senyawa keton dalam tubuh adalah hasil oksidasi asam lemak yang tidak sempurna. Ketidakseimbangan hormonal terutama produksi insulin yang tidak cukup untuk mengimbangi aktivitas glukagon di dalam tubuh memungkinkan kondisi metabolisme yang cendrung mengarah ke produksi yang relatif banyak ketone bodies yang disebut ket osis. 1. Asam lemak yang tersimpan di dalam sel-sel adipose dengan cepat dilepas ke aliran darah. Alasan utama terjadinya hal ini adalah jika insulin sangat rendah di dalam darah, karena insulin akan menghambat lipolisis, sebaliknya akan menyimpan lemak. Pertambahan yang berlimpah dari asam lemak di dalam darah akan diambil oleh hati. 2. Oksidasi asam lemak menjadi asetil-CoA mendominasimelebihi sintesis asam lemak di dalam hati. 3. Karena hati mengambil asam lemak dan memecahkannya menjadi asetil- CoA, kapasitas siklus asam sitrat untuk memproses molekul-molekul asetil-CoA yang dihasilkan menurun. Terutama hal ini karena metabolisme asam lemak menjadi asetil-CoA menghasilkan banyak ATP, dan jumlah ATP yang tinggi akan memperlambat aktivitas siklus asam sitrat di dalam sel-sel hati. Pada dasarnya, tidak perlu memakai siklus asam sitrat yang peranan utamanya mentransfer energi dari bahan bakar untuk diguanakan dalam sintesis ATP jika sel-sel sudah memiliki banyak ATP. Perobahan-perobahan metabolisme ini akan memicu sel-sel hati membentuk asetil-CoA dan kemudian menyatukan dua molekul asetil-CoA menjadi senyawa yang mengandung empat atom karbon. Senyawa ini kemudian dimetaboliser dan akhirnya disekresikan ke dalam aliran darah sebagai ketone bodies seperti asam asetoasetat dan senyawa sejenisnya asam beta-hidroksibutirat dan aseton. Kebanyakan ketone bodies akhirnya akan diubah menjadi kembali ke asetil-CoA di dalam sel lain yang memakai ketone bodies sebagai bahan bakar. Kemudian ketone bodies di tolakkan melalui siklus asam sitrat. Salah satu ketone bodies yang terbentuk aseton meninggalkan badan melalui paru-paru menyebabkan pernapasan seseorang sebagai karakteristik kondisi ketosis, napas berbau seperti buah. Kunci tahapan di dalam ketosis lihat Gambar 19 berikut. Pasokan karbohidrat rendah, produksi insulin yang rendah Asam lemak yang berlimpah dalam hati Banyak sedikit Ketone bodies seperti CO 2 + H 2 O Asam asetoasetat Ga m ba r 1 9 . Kunci tahapan dalam ketosis Wardlaw Kessel, 2002. Ketosis pada keadaan lapar atau masa puasa © 2003 Digit ized by USU digit al library 32

E. Ke t osis pa da k e a da a n la pa r a t a u m a sa pu a sa