Metabolisme Karbohidrat Degradasi Protei docx
MAKALAH BIOKIMIA
METABOLISME KARBOHIDRAT:
DEGRADASI KARBOHIDRAT DAN SINTESIS ATP
Disusun Oleh:
1.
2.
3.
4.
5.
Radha Amalia Balqis
Gahar Ajeng Prawesthi
Hidayah Ina Qodriyah
Lutvi Widyastuti
Prasetyo Adi Nugroho
(13304241055)
(13304241064)
(13304244004)
(13304244020)
(13304244027)
JURUSAN PENDIDIKAN BIOLOGI
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS NEGERI YOGYAKARTA
2014
DAFTAR ISI
1
Halaman Judul…………………………………………………………………………………..1
Daftar Isi………………………………………………………………………………………...2
BAB I Pendahuluan……………………………………………………………………………..3
BAB 2 Isi
A. Tiga Jalur Alternatif Pembentukan Glukosa Menjadi Piruvat
1. Jalur ED (Entner Duodoroff)………………………………………………………..4
2. Jalur HMP(Hexosa Mono Phosfat)………………………………………………....5
3. Jalur Glikolisis……………………………………………………………………....6
B. Katabolisme Karbohidrat
1. Respirasi Anaerob (Fermentasi)
a. Fermentasi Alkohol…………………………………………………………….14
b. Fermentasi Asam Laktat………………………………………………………..14
2. Respirasi Aerob
a. Dekarboksilasi Oksidatif (DBO)………………………………………………..15
b. Daur Asam Sitrat (Siklu Krebs)………………………………………………...16
c. Transpor Elektron (Fosforilasi Oksidatif) ………………………………………23
C. Mekanisme Shuttle ……………………………………………………………………...25
D. Penghitungan ATP ……………………………………………………………………...28
Daftar Pustaka…………………………………………………………………………………..29
BAB I
PENDAHULUAN
Metabolisme adalah aktivitas sel yang amat terkoordinasi, mempunyai tujuan, dan
mencakup berbagai kerjasama banyak sistem multienzim. Terdapat dua fase pada
metabolisme yaitu, katabolisme dan anabolisme. Katabolisme merupakan proses
penguraian yang menyebabkan molekul organic nutrient seperti karbohidrat, lipid, dan
protein terurai menjadi bagian yang lebih kecil dan sederhana melalui reaksi-reaksi yang
bertahap. Pada katabolisme, salah satu jalur alternative pembentukan piruvat yaitu
2
glikolisis, dapat terjadi secara aerob bila keadaan oksigen meencukupi sehingga akan
terjadi proses selanjutnya seperti siklus asam sitrat dan transport electron, serta anaerob
bila keadaan oksigen tidak memadai sehingga terjadi proses fermentasi.
Mitokondria adalah organel sel lonjong yang memiliki struktur kompleks sebagai
tempat terjadinya proses respirasi sebagai pembongkaran dari karbohidrat. Mitokondria
memiliki dua system membrane, yaitu membrane luar dan membrane dalam yang
berlipat-lipat. Membrane dalam yang berlipat-lipat disebut dengan krista. Selain itu,
mitokondria juga memiliki matriks mitokondria yang dibatasi membrane dalam.
Fungsi sel di dalam mitokondria sebagai tempat penghasil energy melalui proses
respirasi. Fosforilasi oksidatif berlangsung dalam membran dalam mitokondria,
sedangkan sebagian besar reaksi daur asam sitrat dan oksidasi asam lemak berlangsung
dalam matriks. Membran luar cukup permeable untuk sebagian besar molekul kecil dan
ion, karena mengandung banyak porin., protein transmembran dengan pori besar.
Sebaliknya, hampir tidak ada ion atau molekul polar yang dapat menembus membran.
BAB II
ISI
A. Tiga Jalur Alternatif Pembentukan Glukosa Menjadi Piruvat
1. Jalur ED (Entner Doudroff)
Jalur ini terjadi pada bakteri, terutama pada
Pseudomonas sp. Dengan
menggunakan substrat glukosa , maka tahapan-tahapannya adalah sebagai berikut:
3
Keterangan:
a.
Mengubah glukosa menjadi glukosa-6-fosfat oleh ATP. ATP ini bertindak untuk
menjaga konsentrasi glukosa rendah.
b.
Mengoksidasi
gugus
aldehid
dari
glukosa-6-fosfat
menjadi
6
asam
fosfoglukonat.
c.
6 asam fosfoglukonat lalu mengalami dehidrasi menjadi 2 keto-3deoksi-6
fosfoglukonat dengan bantuan enzim 6 fosfat dehidrogenase yang merupakan
salah satu enzim kunci dalam reaksi jalur Entner Doudoroff (ED).
d.
2 keto-3deoksi-6fosfoglukonat akan dipecah oleh enzim KDPG aldose
menghasilkan piruvat dan gliseral dehid-3-fosfat.
e.
Gliseral dehid-3-fosfat ini akan masuk ke jalur glikolisis.
2. Jalur HMP (Hexosa Mono Phosfat)
4
Jalur ini terjadi pada seltumbuhan dan sel hewan. Jalur ini juga dinamakan
jalur simpang fosfoglukonat, jalur metabolisme pentosa fosfat atau jalur simpang
heksosa monofosfat. Jalur ini merupakan alternatif untuk oksidasi glukosa.
Reaksi ini berguna untuk membentuk gula pentosa dll, untuk keperluan
biosintesis. Hasil dari jalur ini adalah menghasilkan NADPH dan ribosa. Pada tahap
pembentukan glukosa-6-fosfat ini membutuhkan ATP untuk pengaktifan glukosa. Jika
tidak ada ATP maka reaksi ini tidak akan berjalan.
Tahapannya :
Keter
angan:
5
a. Megubah glukosa menjadi glukosa-6-fosfat dengan membutuhkan ATP.
Karena ATP tersebut sebagai pengaktif glukosa.
b. Glukosa
6
fosfat
didehidrogenasi
dengan
bantuan
suatu
enzim
dehidrogenasemenghasilkan 6-fosfoglukono lakton dan NADPH.
c. 6 fosfoglukonat mengalami oksidasi dan dekarboksilasi dengan bantuan enzim
6 fosfoglukonat dehidrogenase, membentuk ribulosa 5 fosfat dan 1 molekul
NADPH.
d. Selanjutnya ribulosa 5 fosfat berturut-turut diubah oleh enzim ribulosa fosfat
3-epimerase menjadi silulosa 5 fosfat. Silulosa 5– fosfat diubah menjadi
gliseraldehid 3-fosfat dan nantinya akan diubah menjadi piruvat.Pada reaksi
ini terbentuk 2 NADPH dan ribosa 5 fosfat.
3. Jalur Glikolisis atau EMP (Embden, Meyerhof, dan Parnas)
Kata glikolisis (glycolysis) berarti ‘pemecahan gula’ dan itulah yang terjadi
dalam proses ini. Glikolisis merupakan suatu proses penguraian molekul glukosa
yang memiliki 6 atom karbon, dalam urutan proses glikolisis melibatkan 10 reaksi
enzimatik, untuk menghasilkan dua molekul asam piruvat, yang memiliki 3 atom
karbon. Glikolisis merupakan suatu lintas pusat universal dari katabolisme glukosa
yang dapat terjadi di sel hewan, sel tumbuhan, dan mikrobia. Jalur glikolisis ini
terjadi di sitoplasma sel. (Lehninger, 1982:73)
6
Gambar 3 Jalur Glikolisis
Dalam glikolisis ini melibatkan 10 enzim di dalamnya, kelima tahap pertama
menyusun fase persiapan, yang berfungsi untuk mengumpulakan rantai karbon semua
heksosa yang telah dimetabolisasi dalam satu bentuk produk umum, yaitu
Gliseraldehida 3-fosfat. Sedang fase kedua glikolisis, yang dilangsungkan oleh lima
enzim sisanya, yang menggambarkan hasil energy yang dibebaskan.
7
Fase pertama
1. Pembentukan Glukosa menjadi Glukosa 6-fosfat
Dalam proses pembentukan Glukosa 6-fosfat dari Glukosa melibatkan
enzim Heksokinase dan membutuhkan 1 ATP yang berguna sebagai pengaktif
Glukosa yang merupakan bahan awal dalam proses ini. Jika Glukosa sudah aktif
maka proses glikolisis selanjutnya akan berjalan. Enzim Heksokinase adalah
enzim kunci yang pertama dalam glikolisisyang bersifat alosterik, dengan Glukosa
6-fosfat sebagai produk dan inhibitornya (penghambat) bila dalam keadaan
berlebih, sehingga akan bersifat racun.
2. Pembentukan Fruktosa-6-fosfat dari Glukosa 6-fosfat
Dalam pembentukan Fruktosa-6-fosfat dari Glukosa 6-fosfat dibantu
dengan menggunakan enzim Fosfoglukoisomerase. Enzim ini mengubah aldose
menjadi ketosa.
8
3. Pembentukan Fruktosa- 1,6 bifosfat dari Fruktosa-6-fosfat
Pada bagian proses ini membutuhkan 1 ATP dan enzim Fosfofruktokinase
sebagai katalis. Enzim ini dapat terhambat jika ADP dalam keadaan berlebih,
sehingga tidak akan terjadi pembentukan ATP dan akan bersifat racun.
4. Pembentukan Gliseraldehida-3-fosfat dan Dihidroksiaceton fosfat dari
Fruktosa-6-fosfat
Dalam proses pembentukan ini, enzim yang mengatalisis adalah enzim
Aldolase yang memecah Fruktosa-6-fosfat menjadi dua molekul Gliseraldehida3-fosfat dan Dihidroksiaseton fosfat.
9
5. Akan tetapi dari kedua molekul Gliseraldehida-3-fosfat dan Dihidroksiaseton
fosfat, yang akan berlanjut untuk Fase Kedua hanya Gliseraldehida-3-fosfat. Hal
ini terjadi karena kecenderungan Dihidroksiaseton fosfat yang selalu berubah
menjadi Gliseraldehida-3-fosfat melalui proses bolak-balik yang dibantu oleh
enzim Isomerase, sehingga berdampak pada proses fase kedua yang seluruh factor
dan produknya akan dikalikan dua.
Fase Kedua
6. Pembentukan 1,3 bifosfagliserat dari Gliseraldehida-3-fosfat
Pembentukan 1,3 bifosfagliserat dari Gliseraldehida-3-fosfat dikatalisis
oleh enzim Triosa fosfat dehydrogenase. Dalam pembentukan ini terdapat 2
NAD+yang menghasilkan 2 NADH+ + 2H+.2 NADH+ini merupakan bentuk lain
dari ATP.
10
7. Pembentukan 3-fosfogliseratdari 1,3 bifosfagliserat
Untuk menjadi 3-fosfogliserat dari 1,3 bifosfagliserat dibutuhkan enzim
Fosfogliserokinase yang mengatalisis 1,3 bifosfagliserat dan menghasilkan 2 ATP
dalam prosenya. Enzim Fosfogliserokinase merupakan enzim kunci yang kedua
setelah enzim Heksokinase. Sedangkan 2 ATP yang dihasilkan merupakan hasil
dari fosforilasi pada tingkat substrat yang artinya pembentuka ATP dari hasil
pemecahan substrat.
8. Pembentukan 2-fosfogliserat dari 3-fosfogliserat
Dalam reaksi 3-fosfogliserat menjadi 2-fosfogliserat ini dikatalisis olah
enzim Fosfogliseromutase.
11
9. Pembentukan Fosfoenol piruvat dari 2-fosfogliserat
Dalam proses ini untuk menjadi Fosfoenol piruvat, 2-fosfogliserat dienolase kemudian melepaskan 2 molekul H2O.
10. Pembentukan Piruvat dari Fosfoenol piruvat
Pembentukan Piruvat dari Fosfoenol piruvat merupakan reaksi terakhir.
Dalam reaksi ini dihasilkan ATP dan piruvat secara bersamaan. Reaksi ini
menggunakan katalisis enzim Piruvat kinase.
12
Secara ringkas, persamaan keseluruhan bagi glikolisis dalam hal ini adalah
Glukosa + 2Pi+ 2ADP + 2NAD+ 2 Piruvat - + 2ATP + 2NADH + 2H+ + 2H2O
(Lehninger, 1982 : 90)
Jadi, hasil dari bersih proses glikolisis adalah 2 NADH, 2 ATP, dan 2 Piruvat.
Pemecahan Glukosa menjadi piruvat dari proses glikolisis ini dapat terjadi
dalam keadaan tanpa oksigen atau respirasi anaerob dan dengan oksigen atau
respirasi aerob. Respirasi anaerob meliputi fermentasi alcohol dan fermentasi
asam laktat, sedangkan respirasi aerob meliputi Dekarboksilasi Oksidatif dan
Daur Asam Sitrat (DBO) atau Siklus Krebs.
B. Katabolisme Karbohidrat
Piruvat yang dihasilkan dari proses glikolisis, pada keaadaan anaerob (tidak
membutuhkan oksigen), asam piruvat direduksi menjadi alkohol (etanol) dan asam laktat.
1. Respirasi Anaerob (Fermentasi)
a. Fermentasi Alkohol
13
Fermentasi alkohol terjadi pada ragi (misalnya Saccharomyces sp). Contoh
fermentasi alkohol pada proses pembuatan tape. Jalur metabolisme proses ini
sama dengan glikolisis sampai dengan terbentuknya piruvat. Reaksi ini mengubah
asam piruvat menjadi alkohol. Pembentukan alkohol terjadi dalam dua tahap.
Pada
tahap pertama asam piruvat diubah menjadi asetaldehid dengan
melepaskan karbondioksida. Enzim yang berperan adalah enzim piruvat
dekarboksilase. Lalu tahap kedua asetaldehida diubah menjadi etanol dengan
mereduksi
NADH+H+ menjadi
NAD+.
Enzim
yang
berperan
alkohol
dehidrogenase. Dengan demikian, etanol dan CO2 merupakan hasil akhir
fermentasi alkohol , dan jumlah energi yang dihasilkan 2 ATP.
b. Fermentasi Asam Laktat
Asam piruvat diubah menjadi laktat dengan cara mereduksi NADH
menjadi NAD dengan bantuan enzim laktat dehidrogenase. Fermentasi ini terjadi
pada otot. Ada juga asam laktat yang terjadi pada proses pembuatan asam susu
(yakult). Pada fermentasi asam laktat ini berperan bakteri asam laktat (BAL).
Bakteri asam laktat (BAL) adalah kelompok bakteri gram positif berbentuk kokus
atau batang, tidak membentuk spora, suhu optimum ± 400C, pada umumnya
tidak motil, bersifat anaerob, katalase negatif dan oksidase positif, dengan asam
14
laktat sebagai produk utama fermentasi karbohidrat. Sifat-sifat khusus bakteri
asam laktat adalah mampu tumbuh pada kadar gula, alkohol, dan garam yang
tinggi, mampu memfermentasikan monosakarida dan disakarida.
Jadi hasil akhir 2 ATP, jumlah ini jauh lebih kecil dibandingkan dengan
energi yang dihasilkan oleh glikolisis aerob yaitu 8 ATP.
2. Respirasi Aerob
a. Dekarboksilasi Oksidatif
Piruvat
mengalami
dekarboksilasi
oksidatif,
yaitu
suatu
proses
dihidrogenasi yang melibatkan pemindahan gugus karboksil sebagai molekul CO 2
dan gugus asetil sebagai asetil-KoA. Kedua atom hidrogen yang dilepaskan dari
piruvat muncul sebagai NADH dan H+. NADH yang terbentuk ini lalu
memberikan elektronnya kepada transport elektron (Lehninger,1982:115-116).
Reaksi yang dikatalis oleh kompleks piruvat dehidrogenase dalam matriks
mitokondria melibatkan 3 macam enzim yaitu enzim piruvat dehydrogenase (E1),
enzim dihidrolipoil transasetilase (E2), enzim dihidrolipoil dehydrogenase (E3).
Terdapat koenzim tiamin pirofosfat (TPP), lipoamida, dan FAD bertindak sebagai
15
kofaktor katalitik, disamping KoA dan NAD + yang merupakan kofaktor
stoikiometrik.
Unit asetil aktil ini yang kemudian mengalami oksidasi sempurna menjadi
CO2 melalui daur asam sitrat (Siklus krebs). Daur asam sitrat merupakan jalur
metabolisme bersama untuk oksidasi molekul bahan bakar seperti asam amino,
lemak dan karbohidrat. Sebagian besar molekul yang masuk daur asam sitrat
sebagai asetil KoA.
b. Daur Asam Sitrat (Siklus Krebs)
Pada keadaan aerob, setelah jalur glikolisis yang mengubah glukosa
menjadi piruvat adalah dekarboksilasi oksidatif piruvat menjadi asetil koenzim A
(asetil KoA). Unit asetil aktif ini kemudian mengalami oksidasi sempurna
menjadi CO2 melalui daur asam sitrat, yang juga dikenal sebagai daur asam
trikarboksilat atau daur krebs. Daur asam sitrat merupakan jalur metabolisme
bersama untuk oksidasi molekul bahan bakar seperti asam amino, asam lemak,
dan karbohidrat. Sebagian besar molekul masuk daur asam sitrat sebagai asetil
KoA. Daur ini juga menyediakan senyawa antara untuk proses biosintesis. Pada
eukariot, reaksi daur asam sitrat berlangsung dalam mitokondria, berbeda dengan
glikolisis, yang berlangsung di sitosol.
16
1) Pembentukan Sitrat
Daur asam sitrat dimulai dengan bergabungnya suatu unit empat
karbon, oksaloasetat, dengan sutau unit dua karbon, gugus asetil dari asetil
KoA. Oksaloasetat bereaksi dengan asetil KoA dan H 2O menghasilkan sitrat
dan KoA. Reaksi ini merupakan kondensasi aldol diikuti oleh hidrolisis, yang
dikatalisis oleh enzim sitrat sintase. Oksaloasetat awalnya berkondendsasi
dengan asetil KoA membentuk sitril KoA, yang kemudian mengalami
hidrolisis menjadi sitrat dan KoA. Reaksi keseluruhan yang dikatalis :
Asetil KoA + oksaloasetat + H2O
sitrat + KoA-SH
2) Isomerisasi Sitrat menjadi Isositrat melalui sis-Akonitat
Enzim akonitasemengkatalis perubahan dapat balik sitrat menjadi
isositrat, melalui pembentukan senyawa antara asam trikarboksilat sisakonitat, yang biasanya tidak terdisosiasi dari sisi akrif enzim. Cara sitrat
17
menjadi isositrat adalah mula-mula terjadi dehidrasi menjadi sis-akonitat (yg
tetap terikat enzim) kemudian terjadi rehidrasi menjadi isositrat. Akonitase
mengkatalisa penambahan H2O secara dapat balik kepada ikatan ganda pada
sis-akonitat yang terkait oleh enzim dalam dua cara yang berbeda. Yang satu
menuju pembentukan sitrat dan yang satu menuju pembentukan isositrat
(Lehninger, 1982: 125).
3) Oksidasi dan dekarboksilasi isositrat menjadi -ketoglutarat dan CO2
Pada tahap selanjutnya, isositrat terdehidrogenasi menjadi αKetoglutarat dan CO2 oleh enzim isositrat dehidrogenase. Terdapat dua jenis
isositrat dehidrogenase, yang satu memerlukan NAD+ sebagai penerima
elektron, dan yang lain NADP+ yang lainnya. Reaksi keseluruhan yang
dikatalis oleh kedua isositrat dehidrogenase selain perbedaan diatas, bersifat
sama.
Terdapat dua jenis isositrat dehidrogenase,yang satu memerlukan
NAD+ sebagai penerima elektron, dan yang lainya NADP + yang lain. Reaksi
keseluruhan yang dikatalis oleh kedua isositrat dehidrogenaseselain perbedaan
diatas bersifat sama. (Lehninger, 1982: 125)
18
4) Pembentukan Suksinil KoA
Perubahan isositrat menjadi -ketoglutarat diikuti oleh reaksi
dekarboksilasi oksidatif kedua, pembentukan suksinil KoA dari -
19
ketoglutarat. Reaksi ini dikatalisis oleh enzim kompleks -ketoglutarat
dehidrogenase yang terdiri dari tiga macam enzim.
Reaksi ini sebenarnya sama dengan reaksi piruvat dehidrogenase yang
didiskusikan sebelumnya, keduanya mengkatalis oksidasi suatu asan α-keto
dengan melepaskan gugus karboksil sebagai CO2 (Lehninger, 1982: 125).
5) Pembentukan senyawa fosfat energi tinggi dari suksinil KoA
Suksinil tioester dari KoA mengandung ikatan energi tinggi.
Pemutusan ikatan tioester suksinil KoA dirangkaikan dengan fosforilasi
guanosin difosfat (GDP). Reaksi reversibel ini dikatalis oleh enzim suksinil
KoA sintetase. Reaksi ini merupakan satu – satunya langkah dalam daur asam
sitrat yang langsung menghasilkan senyawa fosfat energi tinggi. GTP sendiri
digunakan sebagai donor fosfat pada sintesis protein. Di samping itu, terjadi
pemindahan gugus fosfat dari GTP ke ADP, sehingga terbentuk.
Enzim yang mengkatalis reaksi ini adalah suksinil-KoA sintetase,
menghasilkan suksinat bebas dan menyebabkan pembentukan gugus fosfat
terminal berenergi tinggi. GTP dari GDP dan Pi dengan mempergunakan
energy bebas yang dihasilkan pada pemecahan suksinil KoA.
GTP yang dibentuk oleh suksinil KoA sintetase, lalu dapat
memberikan gugus fosfat terminal kepada ADP, membentuk ATP, melalui
kerja dapat balik suatu nukleosida difosfokinase.
20
6) Pembentukan kembali oksaloasetat melalui oksidasi suksinat
Suksinat diubah menjadi oksaloasetat melalui tiga langkah, yaitu
dehidrogenase (oksidasi), hidrasi, dan dehidrogenase kedua (oksidasi kedua).
Dengan demikian terbentuk kembali oksaloasetat untuk putaran daur asam
sitrat berikutnya, sedangkan energy tertangkap dalam bentuk FADH 2 dan
NADH.
1. Dehidrogenase Suksinat Menjadi Fumarat
Tahap selanjutnya, suksinat yang dibentuk dari suksinil KoA
dioksidasi menjadi fumarat oleh suatu enzim suksinat dehidrogenase.
Sebagai akseptor hidrogen digunakan FAD, bukan NAD. NAD+
digunakan pada reaksi oksidasi-reduksi yang lainnya pada daur asam
sitrat. Digunakannya FAD sebagai akseptor hidrogen dalam reaksi ini,
karena perubahan energi bebas tidak mencukupi untuk mereduksi NAD+.
FAD hamper selalu merupakan akseptor elektron dalam reaksi oksidasi
yang memindahkan dua atom hidrogen dari suatu substrat. Reaksi ini tidak
lewat NAD, dihambat oleh malonat
Suksinat + FAD
Fumarat + FADH2
21
2. Fumarat Terhidrasi Membentuk Malat
Hidrasi fumarat menjadi malat dikatalis oleh enzim fumarat
hidratase, atau lebih umum disebut fumarase
Fumarat + H2O
L-Malat
3. Malat Mengalami Dehidrogenase Membentuk Oksaloasetat
Pada reaksi terakhir siklus asam sitrat atau siklus krebs, enzim
malat dehidrogenase yang mengikat NAD yang terdapat di dalam matriks
mitokondria, mengkatalis dehidrogenase malat menjadi oksaloasetat.
L-Malat + NAD+
Oksaloasetat + NADH + H+
22
Reaksi total Siklus Krebs :
Asetil KoA + 3NAD+ + FAD + ADP (atau GDP) + Pi + H2O
2CO2 + KoA-SH + 3 NADH + 3 H+ + FADH2 + ATP ( atau GTP)
c. Transpor Elektron
Fosforelasi oksidatif adalah pembentukan ATP melalui transfor elektron.
Tempat terjadinya fosforelasi oksidatif adalah di lengkungan membran dalam
mitokondria. Sintesis ATP akan terjadi jika proton yaitu H + dari ruang antarmembran kembali ke matriks. Ada beberapa komponen-komponen transfor
elektron pada fosforelasi oksidatif respirasi.
Gambar komponen
23
Transfor elektron melalui beberapa kompleks penerima elektron :
1. Kompleks I
Kompleks ini sering disebut pintu NADH.
2. Kompleks II
Kompleks ini sering disebut pintu FADH2
3. Kompleks III
Kompleks ini sering disebut sitokrom reduktase.
4. Kompleks IV
Kompleks ini sering disebut sitokrom oksidasi.
Proses penerimaan elektron dapat dijelaskan sebagai berikut :
1. Kompleks I
Di kompleks I NADH akan mengalami oksidasi :
NADH
NAD+ + H+ + 2e-
kemudian elektron akan ditangkap oleh FMN yang
mengalami reduksi :
NADH + H+ + FMN NAD+ + FMNH2 + 2e- kemudian elektron akan diteruskan ke
Fe.S . Kemudian 2e- beserta ion H+akan diteruskan ke koenzim Q. Koenzim Q akan
24
mereduksi menjadi QH2. Ada atom hidrogen yang terpompa menuju ruang antarmembran.
Kompleks II
Kompleks ini sedikit berbeda dengan yang lain karena energi yang dihasilkan rendah
sehingga tidak memompa proton ke ruang antar-membran. Prosesnya adalah FADH 2
akan mengalami oksidasi menjadi FAD kemudian elektron akan diteruskan menuju
koenzim Q oleh Fe.S. Koenzim Q akan mengalami reduksi menjadi QH2.
Kompleks III
Kompleks III terdapat sitokrom b, Fe.S, dan sitokrom c 1. Prosesnya adalah elektron dari
koenzim Q akan ditangkap oleh sitokrom b dan kemudian akan dibawa oleh Fe.S menuju
sitokrom c1. Kemudian 2e- akan diteruskan menuju sitokrom c. Hal ini menyebabkan
perbedaan konsentrasi matriks dengan ruang antar-membran sehingga H + akan dipompa
menuju ruang antar membran.
Kompleks IV
Tersusun oleh sitokrom a, dan sitokrom a3. Prosesnya adalah elektron dari sitokrom c akan
ditangkap oleh sitokrom a kemudian elektron tersebut akan diteruskan ke sitokrom a 3.
Kemudian elektron dari sitokrom a3 akan diterima oleh O2 dan mengoksidasinya menjadi
air. Bersamaan dengan itu ada H+ yang dipompa ke ruang antar membran.
Karena di ruang antar-mambran terdapat banyak H+ maka akan terjadi beda konsentrasi
dengan matriks. Hal ini akan menyebabkan pindahnya H+ kembali ke matriks dan
aktifnya ATP sintase yang menyebabkan terbentuknya ATP. Perbedaan NADH dan
FADH2 adalah jika FADH2 langsung melalui kompleks II dan tidak melepaskan proton ke
ruang antar-membran sehingga hanya melepaska proton dari kompleks III dan IV. Oleh
karena itu hanya terbentuk 2 ATP.
C. Mekanisme Shuttle
25
Pada proses glikolisis menghasilkan ATP dan NADH, ATP (Adenosin Three
Fospat) merupakan suatu energy yang siap pakai, Sedangkan NADH (Nichotinamida
Adenin Dineukleotida) adalah energi yang serupa dengan ATP, namun dalam bentuk
simpanan lain yang nantinya akan di konveksi menjadi bentuk ATP. NADH belum bisa
digunakan apabila belum di konveksi menjadi bentuk ATP. NADH yang merupakan hasil
proses glikolisis tersimpan di dalam sitosol, dan untuk dapat diubah menjadi ATP harus
dipindahkan ke membrane dalam mitokondria. Pada mitokondria bagian membrane luar
tidak dapat ditembus oleh NADH, maka untuk dapat menembus membrane luar
mitokondria maka digunakanlah mekanisme Shuttle. Mekanisme shuttle dibagi menjadi
dua bagian, yaitu shuttle gliserol 3-fosfat , shuttle Mallat.
1. Shuttle Gliserol 3-Fosfat
Hasil
glikolisis yang berupa NADH yang masih terdapat di sitosol akan
melepaskan H+ , kemudian diterima oleh NAD+ . Sebelum menjadi gliserol 3-fosfat harus
diubah dulu menjadi dihidroksi aseton fosfat, baru dapat diubah menjadi glisrol 3-fosfat
dengan bantuan enzim gliserol 3-fosfat dehidrogenase, setelah berubah menjadi gliserol 3
fosfat baru dapat menembus membrane luar mitokondria. Dari gliserol phospat ini
kemudian akan dihasilkan energi. Energi yang dihasilkan di membrane dalam
mitokondria bukan dalam bentuk NADH namun dalam bentuk FADH. Karena energi
yang dihasilkan dalam bentuk FADH maka hasil ATP yang dihasilkan akan berbeda.
26
Yaitu NADH yang setara dengan 3 ATP dan FADH setara dengan 2 ATP , maka di
mekanisme Shuttle Gliserol 3-Fosfat ini energi yang dihasilkan setara dengan 2 ATP,
bukan 3 ATP.
2. Shuttle Mallat
Hasil glikolisis yang berupa NADH yang masih terdapat di sitosol akan
melepaskan H+ , kemudian diterima oleh NAD+. Untuk dapat menembus
membrane luar mitokondria maka maka oksaloasetat harus dirubah menjadi malat
dengan bantuan enzim malat dehidrogenase. Setelah menjadi malat, baru dapat
menembus membrane luar mitokondria.
Dari malat yang telah berada dalam mitokondria kemudian dihasilkan
energi dalam bentuk NADH . Artinya hasilnya tetap, yaitu dari NADH yang di
sitosol setelah masuk mitokondria dihasilkan energi dalam bentuk NADH juga.
Artinya hasilnya tetap, yaitu dari NADH yang di sitosol setelah masuk
mitokondria dihasilkan energi dalam bentuk NADH.Energi yang dihasilkan dalam
bentuk NADH maka hasil ATP nya akan sama, yaitu 3 ATP karena NADH setara
dengan 3 ATP.
D. Penghitungan ATP
Hasil dari reaksi glikolisis menghasilkan 2 NADH, 2 NADH ini apabila melewati
mekanisme shuttle gliserol 3 phospat akan menghasilkan ATP setara dengan 4 ATP,
27
kemudian di Siklus Krebs akan dihasilkan 6 NADH yang setara dengan 18 ATP dan juga
2 FADH2 yang setara dengan 4 ATP dan 2 ATP. Dan perubahan asam piruvat menjadi
Asetil koa menghasilkan 2 NADH sehingga setara dengan 6 ATP. Sehingga jumlah ATP
yang di dapatkan sebesar 34 ATP.Dan apabila pada reaksi glikolisis menghasilkan 2
NADH melewati mekanisme shuttle Mallat maka akan dihasilkan ATP sebesar 6 ATP.
Sehingga jumlah ATP seluruhnya sebesar 36 ATP.
Perhitungan ATP apabila melewati mekanisme Shuttle Mallat:
TAHAPAN
Glikolisis
Asam piruvat à Asetil koa
Siklus asam sitrat (siklus
krebs)
ENERGI YANG
DIPEROLEH
2 NADH
JUMLAH ATP
6 ATP
2 ATP
2 ATP
2 NADH
6 ATP
6 NADH
18 ATP
2 FADH2
4 ATP
2 ATP
2 ATP
Total ATP
38 ATP
Perhitungan ATP apabila melewati mekanisme shuttle gliserol 3 Phospat:
TAHAP
ENERGI YANG
DIPEROLEH
JUMLAH ATP
28
Glikolisis
Asam piruvat à Asetil koa
Siklus asam sitrat (siklus
krebs)
2 NADH
4 ATP
2 ATP
2 NADH
2 ATP
6 ATP
6 NADH
18 ATP
2 FADH2
4 ATP
2 ATP
2 ATP
36 ATP
Total ATP
DAFTAR PUSTAKA
Arbianto, Purwo.1994. Biokimia Konsep-konsep Dasar. Bandung: Depdikbud.
Campbell, Neil A..2010. Biologi Edisi Kedelapan Jilid 1. Jakarta: Erlangga.
Lehinger, Albert L..1982. Dasar-dasar Biokimia Jilid 2 (diterjemahkan oleh Maggy
Thenawijaya). Jakarta: Erlangga.
Suryani, Yoni. 2004. Biologi Sel dan Molekuler. Yogyakarta: FMIPA UNY
Wirahadikusumah, Muhamad. 1985. Biokimia: Metabolisme Energi, Karbohidrat, dan
Lipid. Bandung: ITB Bandung.
29
METABOLISME KARBOHIDRAT:
DEGRADASI KARBOHIDRAT DAN SINTESIS ATP
Disusun Oleh:
1.
2.
3.
4.
5.
Radha Amalia Balqis
Gahar Ajeng Prawesthi
Hidayah Ina Qodriyah
Lutvi Widyastuti
Prasetyo Adi Nugroho
(13304241055)
(13304241064)
(13304244004)
(13304244020)
(13304244027)
JURUSAN PENDIDIKAN BIOLOGI
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS NEGERI YOGYAKARTA
2014
DAFTAR ISI
1
Halaman Judul…………………………………………………………………………………..1
Daftar Isi………………………………………………………………………………………...2
BAB I Pendahuluan……………………………………………………………………………..3
BAB 2 Isi
A. Tiga Jalur Alternatif Pembentukan Glukosa Menjadi Piruvat
1. Jalur ED (Entner Duodoroff)………………………………………………………..4
2. Jalur HMP(Hexosa Mono Phosfat)………………………………………………....5
3. Jalur Glikolisis……………………………………………………………………....6
B. Katabolisme Karbohidrat
1. Respirasi Anaerob (Fermentasi)
a. Fermentasi Alkohol…………………………………………………………….14
b. Fermentasi Asam Laktat………………………………………………………..14
2. Respirasi Aerob
a. Dekarboksilasi Oksidatif (DBO)………………………………………………..15
b. Daur Asam Sitrat (Siklu Krebs)………………………………………………...16
c. Transpor Elektron (Fosforilasi Oksidatif) ………………………………………23
C. Mekanisme Shuttle ……………………………………………………………………...25
D. Penghitungan ATP ……………………………………………………………………...28
Daftar Pustaka…………………………………………………………………………………..29
BAB I
PENDAHULUAN
Metabolisme adalah aktivitas sel yang amat terkoordinasi, mempunyai tujuan, dan
mencakup berbagai kerjasama banyak sistem multienzim. Terdapat dua fase pada
metabolisme yaitu, katabolisme dan anabolisme. Katabolisme merupakan proses
penguraian yang menyebabkan molekul organic nutrient seperti karbohidrat, lipid, dan
protein terurai menjadi bagian yang lebih kecil dan sederhana melalui reaksi-reaksi yang
bertahap. Pada katabolisme, salah satu jalur alternative pembentukan piruvat yaitu
2
glikolisis, dapat terjadi secara aerob bila keadaan oksigen meencukupi sehingga akan
terjadi proses selanjutnya seperti siklus asam sitrat dan transport electron, serta anaerob
bila keadaan oksigen tidak memadai sehingga terjadi proses fermentasi.
Mitokondria adalah organel sel lonjong yang memiliki struktur kompleks sebagai
tempat terjadinya proses respirasi sebagai pembongkaran dari karbohidrat. Mitokondria
memiliki dua system membrane, yaitu membrane luar dan membrane dalam yang
berlipat-lipat. Membrane dalam yang berlipat-lipat disebut dengan krista. Selain itu,
mitokondria juga memiliki matriks mitokondria yang dibatasi membrane dalam.
Fungsi sel di dalam mitokondria sebagai tempat penghasil energy melalui proses
respirasi. Fosforilasi oksidatif berlangsung dalam membran dalam mitokondria,
sedangkan sebagian besar reaksi daur asam sitrat dan oksidasi asam lemak berlangsung
dalam matriks. Membran luar cukup permeable untuk sebagian besar molekul kecil dan
ion, karena mengandung banyak porin., protein transmembran dengan pori besar.
Sebaliknya, hampir tidak ada ion atau molekul polar yang dapat menembus membran.
BAB II
ISI
A. Tiga Jalur Alternatif Pembentukan Glukosa Menjadi Piruvat
1. Jalur ED (Entner Doudroff)
Jalur ini terjadi pada bakteri, terutama pada
Pseudomonas sp. Dengan
menggunakan substrat glukosa , maka tahapan-tahapannya adalah sebagai berikut:
3
Keterangan:
a.
Mengubah glukosa menjadi glukosa-6-fosfat oleh ATP. ATP ini bertindak untuk
menjaga konsentrasi glukosa rendah.
b.
Mengoksidasi
gugus
aldehid
dari
glukosa-6-fosfat
menjadi
6
asam
fosfoglukonat.
c.
6 asam fosfoglukonat lalu mengalami dehidrasi menjadi 2 keto-3deoksi-6
fosfoglukonat dengan bantuan enzim 6 fosfat dehidrogenase yang merupakan
salah satu enzim kunci dalam reaksi jalur Entner Doudoroff (ED).
d.
2 keto-3deoksi-6fosfoglukonat akan dipecah oleh enzim KDPG aldose
menghasilkan piruvat dan gliseral dehid-3-fosfat.
e.
Gliseral dehid-3-fosfat ini akan masuk ke jalur glikolisis.
2. Jalur HMP (Hexosa Mono Phosfat)
4
Jalur ini terjadi pada seltumbuhan dan sel hewan. Jalur ini juga dinamakan
jalur simpang fosfoglukonat, jalur metabolisme pentosa fosfat atau jalur simpang
heksosa monofosfat. Jalur ini merupakan alternatif untuk oksidasi glukosa.
Reaksi ini berguna untuk membentuk gula pentosa dll, untuk keperluan
biosintesis. Hasil dari jalur ini adalah menghasilkan NADPH dan ribosa. Pada tahap
pembentukan glukosa-6-fosfat ini membutuhkan ATP untuk pengaktifan glukosa. Jika
tidak ada ATP maka reaksi ini tidak akan berjalan.
Tahapannya :
Keter
angan:
5
a. Megubah glukosa menjadi glukosa-6-fosfat dengan membutuhkan ATP.
Karena ATP tersebut sebagai pengaktif glukosa.
b. Glukosa
6
fosfat
didehidrogenasi
dengan
bantuan
suatu
enzim
dehidrogenasemenghasilkan 6-fosfoglukono lakton dan NADPH.
c. 6 fosfoglukonat mengalami oksidasi dan dekarboksilasi dengan bantuan enzim
6 fosfoglukonat dehidrogenase, membentuk ribulosa 5 fosfat dan 1 molekul
NADPH.
d. Selanjutnya ribulosa 5 fosfat berturut-turut diubah oleh enzim ribulosa fosfat
3-epimerase menjadi silulosa 5 fosfat. Silulosa 5– fosfat diubah menjadi
gliseraldehid 3-fosfat dan nantinya akan diubah menjadi piruvat.Pada reaksi
ini terbentuk 2 NADPH dan ribosa 5 fosfat.
3. Jalur Glikolisis atau EMP (Embden, Meyerhof, dan Parnas)
Kata glikolisis (glycolysis) berarti ‘pemecahan gula’ dan itulah yang terjadi
dalam proses ini. Glikolisis merupakan suatu proses penguraian molekul glukosa
yang memiliki 6 atom karbon, dalam urutan proses glikolisis melibatkan 10 reaksi
enzimatik, untuk menghasilkan dua molekul asam piruvat, yang memiliki 3 atom
karbon. Glikolisis merupakan suatu lintas pusat universal dari katabolisme glukosa
yang dapat terjadi di sel hewan, sel tumbuhan, dan mikrobia. Jalur glikolisis ini
terjadi di sitoplasma sel. (Lehninger, 1982:73)
6
Gambar 3 Jalur Glikolisis
Dalam glikolisis ini melibatkan 10 enzim di dalamnya, kelima tahap pertama
menyusun fase persiapan, yang berfungsi untuk mengumpulakan rantai karbon semua
heksosa yang telah dimetabolisasi dalam satu bentuk produk umum, yaitu
Gliseraldehida 3-fosfat. Sedang fase kedua glikolisis, yang dilangsungkan oleh lima
enzim sisanya, yang menggambarkan hasil energy yang dibebaskan.
7
Fase pertama
1. Pembentukan Glukosa menjadi Glukosa 6-fosfat
Dalam proses pembentukan Glukosa 6-fosfat dari Glukosa melibatkan
enzim Heksokinase dan membutuhkan 1 ATP yang berguna sebagai pengaktif
Glukosa yang merupakan bahan awal dalam proses ini. Jika Glukosa sudah aktif
maka proses glikolisis selanjutnya akan berjalan. Enzim Heksokinase adalah
enzim kunci yang pertama dalam glikolisisyang bersifat alosterik, dengan Glukosa
6-fosfat sebagai produk dan inhibitornya (penghambat) bila dalam keadaan
berlebih, sehingga akan bersifat racun.
2. Pembentukan Fruktosa-6-fosfat dari Glukosa 6-fosfat
Dalam pembentukan Fruktosa-6-fosfat dari Glukosa 6-fosfat dibantu
dengan menggunakan enzim Fosfoglukoisomerase. Enzim ini mengubah aldose
menjadi ketosa.
8
3. Pembentukan Fruktosa- 1,6 bifosfat dari Fruktosa-6-fosfat
Pada bagian proses ini membutuhkan 1 ATP dan enzim Fosfofruktokinase
sebagai katalis. Enzim ini dapat terhambat jika ADP dalam keadaan berlebih,
sehingga tidak akan terjadi pembentukan ATP dan akan bersifat racun.
4. Pembentukan Gliseraldehida-3-fosfat dan Dihidroksiaceton fosfat dari
Fruktosa-6-fosfat
Dalam proses pembentukan ini, enzim yang mengatalisis adalah enzim
Aldolase yang memecah Fruktosa-6-fosfat menjadi dua molekul Gliseraldehida3-fosfat dan Dihidroksiaseton fosfat.
9
5. Akan tetapi dari kedua molekul Gliseraldehida-3-fosfat dan Dihidroksiaseton
fosfat, yang akan berlanjut untuk Fase Kedua hanya Gliseraldehida-3-fosfat. Hal
ini terjadi karena kecenderungan Dihidroksiaseton fosfat yang selalu berubah
menjadi Gliseraldehida-3-fosfat melalui proses bolak-balik yang dibantu oleh
enzim Isomerase, sehingga berdampak pada proses fase kedua yang seluruh factor
dan produknya akan dikalikan dua.
Fase Kedua
6. Pembentukan 1,3 bifosfagliserat dari Gliseraldehida-3-fosfat
Pembentukan 1,3 bifosfagliserat dari Gliseraldehida-3-fosfat dikatalisis
oleh enzim Triosa fosfat dehydrogenase. Dalam pembentukan ini terdapat 2
NAD+yang menghasilkan 2 NADH+ + 2H+.2 NADH+ini merupakan bentuk lain
dari ATP.
10
7. Pembentukan 3-fosfogliseratdari 1,3 bifosfagliserat
Untuk menjadi 3-fosfogliserat dari 1,3 bifosfagliserat dibutuhkan enzim
Fosfogliserokinase yang mengatalisis 1,3 bifosfagliserat dan menghasilkan 2 ATP
dalam prosenya. Enzim Fosfogliserokinase merupakan enzim kunci yang kedua
setelah enzim Heksokinase. Sedangkan 2 ATP yang dihasilkan merupakan hasil
dari fosforilasi pada tingkat substrat yang artinya pembentuka ATP dari hasil
pemecahan substrat.
8. Pembentukan 2-fosfogliserat dari 3-fosfogliserat
Dalam reaksi 3-fosfogliserat menjadi 2-fosfogliserat ini dikatalisis olah
enzim Fosfogliseromutase.
11
9. Pembentukan Fosfoenol piruvat dari 2-fosfogliserat
Dalam proses ini untuk menjadi Fosfoenol piruvat, 2-fosfogliserat dienolase kemudian melepaskan 2 molekul H2O.
10. Pembentukan Piruvat dari Fosfoenol piruvat
Pembentukan Piruvat dari Fosfoenol piruvat merupakan reaksi terakhir.
Dalam reaksi ini dihasilkan ATP dan piruvat secara bersamaan. Reaksi ini
menggunakan katalisis enzim Piruvat kinase.
12
Secara ringkas, persamaan keseluruhan bagi glikolisis dalam hal ini adalah
Glukosa + 2Pi+ 2ADP + 2NAD+ 2 Piruvat - + 2ATP + 2NADH + 2H+ + 2H2O
(Lehninger, 1982 : 90)
Jadi, hasil dari bersih proses glikolisis adalah 2 NADH, 2 ATP, dan 2 Piruvat.
Pemecahan Glukosa menjadi piruvat dari proses glikolisis ini dapat terjadi
dalam keadaan tanpa oksigen atau respirasi anaerob dan dengan oksigen atau
respirasi aerob. Respirasi anaerob meliputi fermentasi alcohol dan fermentasi
asam laktat, sedangkan respirasi aerob meliputi Dekarboksilasi Oksidatif dan
Daur Asam Sitrat (DBO) atau Siklus Krebs.
B. Katabolisme Karbohidrat
Piruvat yang dihasilkan dari proses glikolisis, pada keaadaan anaerob (tidak
membutuhkan oksigen), asam piruvat direduksi menjadi alkohol (etanol) dan asam laktat.
1. Respirasi Anaerob (Fermentasi)
a. Fermentasi Alkohol
13
Fermentasi alkohol terjadi pada ragi (misalnya Saccharomyces sp). Contoh
fermentasi alkohol pada proses pembuatan tape. Jalur metabolisme proses ini
sama dengan glikolisis sampai dengan terbentuknya piruvat. Reaksi ini mengubah
asam piruvat menjadi alkohol. Pembentukan alkohol terjadi dalam dua tahap.
Pada
tahap pertama asam piruvat diubah menjadi asetaldehid dengan
melepaskan karbondioksida. Enzim yang berperan adalah enzim piruvat
dekarboksilase. Lalu tahap kedua asetaldehida diubah menjadi etanol dengan
mereduksi
NADH+H+ menjadi
NAD+.
Enzim
yang
berperan
alkohol
dehidrogenase. Dengan demikian, etanol dan CO2 merupakan hasil akhir
fermentasi alkohol , dan jumlah energi yang dihasilkan 2 ATP.
b. Fermentasi Asam Laktat
Asam piruvat diubah menjadi laktat dengan cara mereduksi NADH
menjadi NAD dengan bantuan enzim laktat dehidrogenase. Fermentasi ini terjadi
pada otot. Ada juga asam laktat yang terjadi pada proses pembuatan asam susu
(yakult). Pada fermentasi asam laktat ini berperan bakteri asam laktat (BAL).
Bakteri asam laktat (BAL) adalah kelompok bakteri gram positif berbentuk kokus
atau batang, tidak membentuk spora, suhu optimum ± 400C, pada umumnya
tidak motil, bersifat anaerob, katalase negatif dan oksidase positif, dengan asam
14
laktat sebagai produk utama fermentasi karbohidrat. Sifat-sifat khusus bakteri
asam laktat adalah mampu tumbuh pada kadar gula, alkohol, dan garam yang
tinggi, mampu memfermentasikan monosakarida dan disakarida.
Jadi hasil akhir 2 ATP, jumlah ini jauh lebih kecil dibandingkan dengan
energi yang dihasilkan oleh glikolisis aerob yaitu 8 ATP.
2. Respirasi Aerob
a. Dekarboksilasi Oksidatif
Piruvat
mengalami
dekarboksilasi
oksidatif,
yaitu
suatu
proses
dihidrogenasi yang melibatkan pemindahan gugus karboksil sebagai molekul CO 2
dan gugus asetil sebagai asetil-KoA. Kedua atom hidrogen yang dilepaskan dari
piruvat muncul sebagai NADH dan H+. NADH yang terbentuk ini lalu
memberikan elektronnya kepada transport elektron (Lehninger,1982:115-116).
Reaksi yang dikatalis oleh kompleks piruvat dehidrogenase dalam matriks
mitokondria melibatkan 3 macam enzim yaitu enzim piruvat dehydrogenase (E1),
enzim dihidrolipoil transasetilase (E2), enzim dihidrolipoil dehydrogenase (E3).
Terdapat koenzim tiamin pirofosfat (TPP), lipoamida, dan FAD bertindak sebagai
15
kofaktor katalitik, disamping KoA dan NAD + yang merupakan kofaktor
stoikiometrik.
Unit asetil aktil ini yang kemudian mengalami oksidasi sempurna menjadi
CO2 melalui daur asam sitrat (Siklus krebs). Daur asam sitrat merupakan jalur
metabolisme bersama untuk oksidasi molekul bahan bakar seperti asam amino,
lemak dan karbohidrat. Sebagian besar molekul yang masuk daur asam sitrat
sebagai asetil KoA.
b. Daur Asam Sitrat (Siklus Krebs)
Pada keadaan aerob, setelah jalur glikolisis yang mengubah glukosa
menjadi piruvat adalah dekarboksilasi oksidatif piruvat menjadi asetil koenzim A
(asetil KoA). Unit asetil aktif ini kemudian mengalami oksidasi sempurna
menjadi CO2 melalui daur asam sitrat, yang juga dikenal sebagai daur asam
trikarboksilat atau daur krebs. Daur asam sitrat merupakan jalur metabolisme
bersama untuk oksidasi molekul bahan bakar seperti asam amino, asam lemak,
dan karbohidrat. Sebagian besar molekul masuk daur asam sitrat sebagai asetil
KoA. Daur ini juga menyediakan senyawa antara untuk proses biosintesis. Pada
eukariot, reaksi daur asam sitrat berlangsung dalam mitokondria, berbeda dengan
glikolisis, yang berlangsung di sitosol.
16
1) Pembentukan Sitrat
Daur asam sitrat dimulai dengan bergabungnya suatu unit empat
karbon, oksaloasetat, dengan sutau unit dua karbon, gugus asetil dari asetil
KoA. Oksaloasetat bereaksi dengan asetil KoA dan H 2O menghasilkan sitrat
dan KoA. Reaksi ini merupakan kondensasi aldol diikuti oleh hidrolisis, yang
dikatalisis oleh enzim sitrat sintase. Oksaloasetat awalnya berkondendsasi
dengan asetil KoA membentuk sitril KoA, yang kemudian mengalami
hidrolisis menjadi sitrat dan KoA. Reaksi keseluruhan yang dikatalis :
Asetil KoA + oksaloasetat + H2O
sitrat + KoA-SH
2) Isomerisasi Sitrat menjadi Isositrat melalui sis-Akonitat
Enzim akonitasemengkatalis perubahan dapat balik sitrat menjadi
isositrat, melalui pembentukan senyawa antara asam trikarboksilat sisakonitat, yang biasanya tidak terdisosiasi dari sisi akrif enzim. Cara sitrat
17
menjadi isositrat adalah mula-mula terjadi dehidrasi menjadi sis-akonitat (yg
tetap terikat enzim) kemudian terjadi rehidrasi menjadi isositrat. Akonitase
mengkatalisa penambahan H2O secara dapat balik kepada ikatan ganda pada
sis-akonitat yang terkait oleh enzim dalam dua cara yang berbeda. Yang satu
menuju pembentukan sitrat dan yang satu menuju pembentukan isositrat
(Lehninger, 1982: 125).
3) Oksidasi dan dekarboksilasi isositrat menjadi -ketoglutarat dan CO2
Pada tahap selanjutnya, isositrat terdehidrogenasi menjadi αKetoglutarat dan CO2 oleh enzim isositrat dehidrogenase. Terdapat dua jenis
isositrat dehidrogenase, yang satu memerlukan NAD+ sebagai penerima
elektron, dan yang lain NADP+ yang lainnya. Reaksi keseluruhan yang
dikatalis oleh kedua isositrat dehidrogenase selain perbedaan diatas, bersifat
sama.
Terdapat dua jenis isositrat dehidrogenase,yang satu memerlukan
NAD+ sebagai penerima elektron, dan yang lainya NADP + yang lain. Reaksi
keseluruhan yang dikatalis oleh kedua isositrat dehidrogenaseselain perbedaan
diatas bersifat sama. (Lehninger, 1982: 125)
18
4) Pembentukan Suksinil KoA
Perubahan isositrat menjadi -ketoglutarat diikuti oleh reaksi
dekarboksilasi oksidatif kedua, pembentukan suksinil KoA dari -
19
ketoglutarat. Reaksi ini dikatalisis oleh enzim kompleks -ketoglutarat
dehidrogenase yang terdiri dari tiga macam enzim.
Reaksi ini sebenarnya sama dengan reaksi piruvat dehidrogenase yang
didiskusikan sebelumnya, keduanya mengkatalis oksidasi suatu asan α-keto
dengan melepaskan gugus karboksil sebagai CO2 (Lehninger, 1982: 125).
5) Pembentukan senyawa fosfat energi tinggi dari suksinil KoA
Suksinil tioester dari KoA mengandung ikatan energi tinggi.
Pemutusan ikatan tioester suksinil KoA dirangkaikan dengan fosforilasi
guanosin difosfat (GDP). Reaksi reversibel ini dikatalis oleh enzim suksinil
KoA sintetase. Reaksi ini merupakan satu – satunya langkah dalam daur asam
sitrat yang langsung menghasilkan senyawa fosfat energi tinggi. GTP sendiri
digunakan sebagai donor fosfat pada sintesis protein. Di samping itu, terjadi
pemindahan gugus fosfat dari GTP ke ADP, sehingga terbentuk.
Enzim yang mengkatalis reaksi ini adalah suksinil-KoA sintetase,
menghasilkan suksinat bebas dan menyebabkan pembentukan gugus fosfat
terminal berenergi tinggi. GTP dari GDP dan Pi dengan mempergunakan
energy bebas yang dihasilkan pada pemecahan suksinil KoA.
GTP yang dibentuk oleh suksinil KoA sintetase, lalu dapat
memberikan gugus fosfat terminal kepada ADP, membentuk ATP, melalui
kerja dapat balik suatu nukleosida difosfokinase.
20
6) Pembentukan kembali oksaloasetat melalui oksidasi suksinat
Suksinat diubah menjadi oksaloasetat melalui tiga langkah, yaitu
dehidrogenase (oksidasi), hidrasi, dan dehidrogenase kedua (oksidasi kedua).
Dengan demikian terbentuk kembali oksaloasetat untuk putaran daur asam
sitrat berikutnya, sedangkan energy tertangkap dalam bentuk FADH 2 dan
NADH.
1. Dehidrogenase Suksinat Menjadi Fumarat
Tahap selanjutnya, suksinat yang dibentuk dari suksinil KoA
dioksidasi menjadi fumarat oleh suatu enzim suksinat dehidrogenase.
Sebagai akseptor hidrogen digunakan FAD, bukan NAD. NAD+
digunakan pada reaksi oksidasi-reduksi yang lainnya pada daur asam
sitrat. Digunakannya FAD sebagai akseptor hidrogen dalam reaksi ini,
karena perubahan energi bebas tidak mencukupi untuk mereduksi NAD+.
FAD hamper selalu merupakan akseptor elektron dalam reaksi oksidasi
yang memindahkan dua atom hidrogen dari suatu substrat. Reaksi ini tidak
lewat NAD, dihambat oleh malonat
Suksinat + FAD
Fumarat + FADH2
21
2. Fumarat Terhidrasi Membentuk Malat
Hidrasi fumarat menjadi malat dikatalis oleh enzim fumarat
hidratase, atau lebih umum disebut fumarase
Fumarat + H2O
L-Malat
3. Malat Mengalami Dehidrogenase Membentuk Oksaloasetat
Pada reaksi terakhir siklus asam sitrat atau siklus krebs, enzim
malat dehidrogenase yang mengikat NAD yang terdapat di dalam matriks
mitokondria, mengkatalis dehidrogenase malat menjadi oksaloasetat.
L-Malat + NAD+
Oksaloasetat + NADH + H+
22
Reaksi total Siklus Krebs :
Asetil KoA + 3NAD+ + FAD + ADP (atau GDP) + Pi + H2O
2CO2 + KoA-SH + 3 NADH + 3 H+ + FADH2 + ATP ( atau GTP)
c. Transpor Elektron
Fosforelasi oksidatif adalah pembentukan ATP melalui transfor elektron.
Tempat terjadinya fosforelasi oksidatif adalah di lengkungan membran dalam
mitokondria. Sintesis ATP akan terjadi jika proton yaitu H + dari ruang antarmembran kembali ke matriks. Ada beberapa komponen-komponen transfor
elektron pada fosforelasi oksidatif respirasi.
Gambar komponen
23
Transfor elektron melalui beberapa kompleks penerima elektron :
1. Kompleks I
Kompleks ini sering disebut pintu NADH.
2. Kompleks II
Kompleks ini sering disebut pintu FADH2
3. Kompleks III
Kompleks ini sering disebut sitokrom reduktase.
4. Kompleks IV
Kompleks ini sering disebut sitokrom oksidasi.
Proses penerimaan elektron dapat dijelaskan sebagai berikut :
1. Kompleks I
Di kompleks I NADH akan mengalami oksidasi :
NADH
NAD+ + H+ + 2e-
kemudian elektron akan ditangkap oleh FMN yang
mengalami reduksi :
NADH + H+ + FMN NAD+ + FMNH2 + 2e- kemudian elektron akan diteruskan ke
Fe.S . Kemudian 2e- beserta ion H+akan diteruskan ke koenzim Q. Koenzim Q akan
24
mereduksi menjadi QH2. Ada atom hidrogen yang terpompa menuju ruang antarmembran.
Kompleks II
Kompleks ini sedikit berbeda dengan yang lain karena energi yang dihasilkan rendah
sehingga tidak memompa proton ke ruang antar-membran. Prosesnya adalah FADH 2
akan mengalami oksidasi menjadi FAD kemudian elektron akan diteruskan menuju
koenzim Q oleh Fe.S. Koenzim Q akan mengalami reduksi menjadi QH2.
Kompleks III
Kompleks III terdapat sitokrom b, Fe.S, dan sitokrom c 1. Prosesnya adalah elektron dari
koenzim Q akan ditangkap oleh sitokrom b dan kemudian akan dibawa oleh Fe.S menuju
sitokrom c1. Kemudian 2e- akan diteruskan menuju sitokrom c. Hal ini menyebabkan
perbedaan konsentrasi matriks dengan ruang antar-membran sehingga H + akan dipompa
menuju ruang antar membran.
Kompleks IV
Tersusun oleh sitokrom a, dan sitokrom a3. Prosesnya adalah elektron dari sitokrom c akan
ditangkap oleh sitokrom a kemudian elektron tersebut akan diteruskan ke sitokrom a 3.
Kemudian elektron dari sitokrom a3 akan diterima oleh O2 dan mengoksidasinya menjadi
air. Bersamaan dengan itu ada H+ yang dipompa ke ruang antar membran.
Karena di ruang antar-mambran terdapat banyak H+ maka akan terjadi beda konsentrasi
dengan matriks. Hal ini akan menyebabkan pindahnya H+ kembali ke matriks dan
aktifnya ATP sintase yang menyebabkan terbentuknya ATP. Perbedaan NADH dan
FADH2 adalah jika FADH2 langsung melalui kompleks II dan tidak melepaskan proton ke
ruang antar-membran sehingga hanya melepaska proton dari kompleks III dan IV. Oleh
karena itu hanya terbentuk 2 ATP.
C. Mekanisme Shuttle
25
Pada proses glikolisis menghasilkan ATP dan NADH, ATP (Adenosin Three
Fospat) merupakan suatu energy yang siap pakai, Sedangkan NADH (Nichotinamida
Adenin Dineukleotida) adalah energi yang serupa dengan ATP, namun dalam bentuk
simpanan lain yang nantinya akan di konveksi menjadi bentuk ATP. NADH belum bisa
digunakan apabila belum di konveksi menjadi bentuk ATP. NADH yang merupakan hasil
proses glikolisis tersimpan di dalam sitosol, dan untuk dapat diubah menjadi ATP harus
dipindahkan ke membrane dalam mitokondria. Pada mitokondria bagian membrane luar
tidak dapat ditembus oleh NADH, maka untuk dapat menembus membrane luar
mitokondria maka digunakanlah mekanisme Shuttle. Mekanisme shuttle dibagi menjadi
dua bagian, yaitu shuttle gliserol 3-fosfat , shuttle Mallat.
1. Shuttle Gliserol 3-Fosfat
Hasil
glikolisis yang berupa NADH yang masih terdapat di sitosol akan
melepaskan H+ , kemudian diterima oleh NAD+ . Sebelum menjadi gliserol 3-fosfat harus
diubah dulu menjadi dihidroksi aseton fosfat, baru dapat diubah menjadi glisrol 3-fosfat
dengan bantuan enzim gliserol 3-fosfat dehidrogenase, setelah berubah menjadi gliserol 3
fosfat baru dapat menembus membrane luar mitokondria. Dari gliserol phospat ini
kemudian akan dihasilkan energi. Energi yang dihasilkan di membrane dalam
mitokondria bukan dalam bentuk NADH namun dalam bentuk FADH. Karena energi
yang dihasilkan dalam bentuk FADH maka hasil ATP yang dihasilkan akan berbeda.
26
Yaitu NADH yang setara dengan 3 ATP dan FADH setara dengan 2 ATP , maka di
mekanisme Shuttle Gliserol 3-Fosfat ini energi yang dihasilkan setara dengan 2 ATP,
bukan 3 ATP.
2. Shuttle Mallat
Hasil glikolisis yang berupa NADH yang masih terdapat di sitosol akan
melepaskan H+ , kemudian diterima oleh NAD+. Untuk dapat menembus
membrane luar mitokondria maka maka oksaloasetat harus dirubah menjadi malat
dengan bantuan enzim malat dehidrogenase. Setelah menjadi malat, baru dapat
menembus membrane luar mitokondria.
Dari malat yang telah berada dalam mitokondria kemudian dihasilkan
energi dalam bentuk NADH . Artinya hasilnya tetap, yaitu dari NADH yang di
sitosol setelah masuk mitokondria dihasilkan energi dalam bentuk NADH juga.
Artinya hasilnya tetap, yaitu dari NADH yang di sitosol setelah masuk
mitokondria dihasilkan energi dalam bentuk NADH.Energi yang dihasilkan dalam
bentuk NADH maka hasil ATP nya akan sama, yaitu 3 ATP karena NADH setara
dengan 3 ATP.
D. Penghitungan ATP
Hasil dari reaksi glikolisis menghasilkan 2 NADH, 2 NADH ini apabila melewati
mekanisme shuttle gliserol 3 phospat akan menghasilkan ATP setara dengan 4 ATP,
27
kemudian di Siklus Krebs akan dihasilkan 6 NADH yang setara dengan 18 ATP dan juga
2 FADH2 yang setara dengan 4 ATP dan 2 ATP. Dan perubahan asam piruvat menjadi
Asetil koa menghasilkan 2 NADH sehingga setara dengan 6 ATP. Sehingga jumlah ATP
yang di dapatkan sebesar 34 ATP.Dan apabila pada reaksi glikolisis menghasilkan 2
NADH melewati mekanisme shuttle Mallat maka akan dihasilkan ATP sebesar 6 ATP.
Sehingga jumlah ATP seluruhnya sebesar 36 ATP.
Perhitungan ATP apabila melewati mekanisme Shuttle Mallat:
TAHAPAN
Glikolisis
Asam piruvat à Asetil koa
Siklus asam sitrat (siklus
krebs)
ENERGI YANG
DIPEROLEH
2 NADH
JUMLAH ATP
6 ATP
2 ATP
2 ATP
2 NADH
6 ATP
6 NADH
18 ATP
2 FADH2
4 ATP
2 ATP
2 ATP
Total ATP
38 ATP
Perhitungan ATP apabila melewati mekanisme shuttle gliserol 3 Phospat:
TAHAP
ENERGI YANG
DIPEROLEH
JUMLAH ATP
28
Glikolisis
Asam piruvat à Asetil koa
Siklus asam sitrat (siklus
krebs)
2 NADH
4 ATP
2 ATP
2 NADH
2 ATP
6 ATP
6 NADH
18 ATP
2 FADH2
4 ATP
2 ATP
2 ATP
36 ATP
Total ATP
DAFTAR PUSTAKA
Arbianto, Purwo.1994. Biokimia Konsep-konsep Dasar. Bandung: Depdikbud.
Campbell, Neil A..2010. Biologi Edisi Kedelapan Jilid 1. Jakarta: Erlangga.
Lehinger, Albert L..1982. Dasar-dasar Biokimia Jilid 2 (diterjemahkan oleh Maggy
Thenawijaya). Jakarta: Erlangga.
Suryani, Yoni. 2004. Biologi Sel dan Molekuler. Yogyakarta: FMIPA UNY
Wirahadikusumah, Muhamad. 1985. Biokimia: Metabolisme Energi, Karbohidrat, dan
Lipid. Bandung: ITB Bandung.
29