Bioenergi Sel dan
Fosforilasi Oksidatif Perolehan ATP Dari Karbohidrat (Glikolisis dan Oksidasi
Piruvat).
Bioenergetika adalah
ilmu tentang perubahan energi yang menyertai reaksi biokimia. Bioenergetika
atau termodinamika biokimia memberikan prinsip dasar untuk menjelaskan mengapa
sebagian reaksi dapat terjadi sedangkan sebagian yang lain tidak. Sejumlah
sistem non biologik dapat menggunakan energi panas untuk melaksanakan kerjanya,
namun sistem biologi pada hakekatnya bersifat isotermik dan memakai energi
kimia untuk memberikan tenaga bagi proses kehidupan.
Prinsip reaksi oksidasi
reduksi yaitu reaksi pengeluaran dan perolehan elektron berlaku pada berbagai
sistem biokimia dan merupakan konsep penting yang melandasi pemahaman tentang
sifat oksidasi biologi. Ternyata banyak reaksi-reaksi oksidasi dalam sel hidup
dapat berlangsung tanpa peran molekul oksigen.
Mitokondria sebagai
organella pernapasan sel, dikatakan demikian karena didalamnya berlangsung
sebagian besar peristiwa penangkapan energi yang berasal dari oksidasi dalam
rantai pernapasan sel.
Sistem dalam
mitokondria yang merangkaikan respirasi dengan produksi ATP sebagai suatu zat
antara berenergi tinggi dikenal dengan fosforilasi oksidatif. Fosforilasi
oksidatif memungkinkan organisme aerob menangkap energi bebas dengan proporsi
yang lebih besar bila dibandingkan dengan organisme an aerob.
Fosforilasi oksidatif
adalah suatu lintasan metabolisme yang menggunakan energi yang dilepaskan oleh
oksidasi nutrien untuk menghasilkan adenosina trifosfat (ATP). Walaupun banyak
bentuk kehidupan di bumi menggunakan berbagai jenis nutrien, hampir semuanya
menjalankan fosforilasi oksidatif untuk menghasilkan ATP. Lintasan ini sangat
umum digunakan karena ia merupakan cara yang sangat efisien untuk melepaskan
energi, dibandingkan dengan proses fermentasi alternatif lainnya seperti
glikolisis anaerobik.
Selama fosforilasi
oksidatif, elektron ditransfer dari pendonor elektron ke penerima elektron melalui
reaksi redoks. Reaksi redoks ini melepaskan energi yang digunakan untuk
membentuk ATP. Pada eukariota, reaksi redoks ini dijalankan oleh serangkaian
kompleks protein di dalam mitokondria, manakala pada prokariota,
protein-protein ini berada di membran dalam sel. Enzim-enzim yang saling
berhubungan ini disebut sebagai rantai transpor elektron. Pada eukariota, lima
kompleks protein utama terlibat dalam proses ini, manakala pada prokariota,
terdapat banyak enzim-enzim berbeda yang terlibat.
Energi yang dilepaskan
oleh perpindahan elektron melalui rantai transpor elektron ini digunakan untuk
mentranspor proton melewati membran dalam mitokondria. Proses ini disebut
kemiosmosis. Transpor ini menghasilkan energi potensial dalam bentuk gradien pH
dan potensial listrik di seluruh permukaan membran ini. Energi yang tersimpan
dalam bentuk ini dimanfaatkan dengan cara mengijinkan proton mengalir balik
melewati membran melalui enzim yang disebut ATP sintase. Enzim ini menggunakan
energi seperti ini untuk menghasilkan ATP dari adenosina difosfat (ADP) melalui
reaksi fosforilasi. Reaksi ini didorong oleh aliran proton, yang mendorong
rotasi salah satu bagian enzim.
Walaupun fosforilasi
oksidatif adalah bagian vital metabolisme, ia menghasilkan spesi oksigen
reaktif seperti superoksida dan hidrogen peroksida. Hal ini dapat mengakibatkan
pembentukan radikal bebas, merusak sel tubuh, dan kemungkinan juga menyebabkan
penuaan. Enzim-enzim yang terlibat dalam lintasan metabolisme ini juga
merupakan target dari banyak obat dan racun yang dapat menghambat aktivitas
enzim.
Karbohidrat
adalah komponen dalam makanan yang merupakan sumber energi yang utama bagi
organisme hidup. Dalam makanan kita, karbohidrat
terdapat sebagai polisakarida yang
dibuat dalam tumbuhan dengan cara fotosintesis. Tumbuhan merupakan gudang yang
menyimpan karbohidrat dalam bentuk amilum dan selulosa. Amilum digunakan oleh
hewan dan manusia apabila ada kebutuhan untuk memproduksi energi. Di samping
dalam tumbuhan, dalam tubuh hewan dan manusia juga terdapat karbohidrat yang
merupakan sumber energi, yaitu glikogen. Karbohidrat siap dikatabolisir menjadi
energi jika berbentuk monosakarida. Energi yang dihasilkan berupa Adenosin
trifosfat (ATP).
Proses Glikolisis
Pada dasarnya
metabolisme glukosa dapat dibagi dalam dua bagian yaitu yang tidak menggunakan
oksigen atau anaerob dan yang menggunakan oksigen atau aerob. Dengan adanya
oksigen (dalam suasana aerob), glikolisis berlangsung menghasilkan piruvat,
atau tanpa oksigen (glikolisis anaerob) menghasilkan laktat. Glikolisis
menghasilkan dua senyawa karbohidrat beratom tiga dari satu senyawa beratom
enam ; pada proses ini terjadi sintesis ATP dari ADP + Pi. Reaksi anaerob
terdiri atas serangkaian reaksi yang mengubah glukosa menjadi asam laktat.
Proses ini disebut glikolisis. Dalam keadaan tanpa oksigen respirasi terhenti
karena proses pengangkutan electron yang dirangkaikan dengan fosforilasi
bersifat oksidasi melalui rantai pernafasan yang menggunakan molekul oksigen
sebagai penerima electron terakhir, tidak berjalan. Akibatnya jalan metabolisme
lingkar asam trikarboksilat (daur Krebs) akan terhenti pula sehingga piruvat
tidak lagi masuk ke dalam daur Krebs melainkan dialihkan pemakaiannya yaitu
diubah menjadi asam laktat oleh lakatat dehidrogenase dengan NADH sebagai
sumber energinya. Dalam hal ini dua molekul NADH yang dihasilkan oleh reaksi
tahap kelima dalam glikolisis (reaksi dengan gliseraldehida 3-fosfat
dehidrogenase) tidak dipakai untuk membentuk ATP melainkan digunakan untuk
reaksi reduksi dua molekul asam piruvat menjadi asam laktat. Jadi pada
glikolisis anaerob ini energi yang dihasilkan hanya dua molekul ATP saja.
Jumlah ini jauh lebih kecil jika dibandingkan dengan energi yang dihasilkan
oleh glikolisis aerob, yaitu 8 ATP.
Tiap reaksi dalam proses
glikolisis ini menggunakan enzim tertentu, dan akan dibahas satu demi satu.
1. Heksokinase
Tahap pertama proses
glikolisis adalah pengubahan glukosa menjadi glukosa -6- fosfat dengan reaksi
fosforilasi. Enzim heksokinase merupakan katalis dalam reaksi tersebut dibantu
oleh ion Mg+ sebagai kofaktor. Enzim ini ditemukan oleh Meyerhof pada tahun
1927 dan telah dikristalkan dari ragi, mempunyai berat molekul 111.000.
Heksokinase yang berasal dari ragi dapat merupakan katalis pada reaksi
pemindahan gugus fosfat dari ATP tidak hanya kepada glukosa tetapi juga kepada
fruktosa, manosa, dan glukosamina. Dalam otak, otot dan hati terdapat enzim
heksokinase yang multi substrat ini. Disamping itu adapula enzim-enzim yang
khas tetapi juga kepada fruktosa, manosa, dan glukosamina. Dalam kinase hati
juga memproduksi fruktokinase yang menghasilkan fruktosa -1- fosfat.
Enzim heksokinase dari
hati dapat dihambat oleh hasil reaksi sendiri. Jadi apabila glukosa -6- fosfat
terbentuk dalam jumlah banyak, maka senyawa ini akan menjadi inhibitor bagi
enzim heksokinase tadi. Selanjutnya enzim akan aktif kembali apabila
konsentrasi glukosa -6- fosfat menurun pada tingkat tertentu.
1. Fosafoheksoisomerase
Reaksi berikutnya ialah
isomerisasi, yaitu pengubahan glukosa -6- fosfat menjadi fruktosa -6- fosfat,
dengan enzim fosfoglukoisomerase. Enzim ini tidak memerlukan kofaktor dan telah
diperoleh dari ragi dengan cara kristalisasi. Enzim fosfoheksoisomerase
terdapat pada jaringan otot dan mempunyai berat molekul 130.000.
1.
Fosfofruktokinase
Fruktosa -6- fosfat
diubah menjadi fruktosa -1,6- difosfat oleh enzim fosfofruktokinase dibantu
oleh ion Mg+ sebagai kofaktor. Dalam reaksi ini gugus fosfat dipindahkan dari
ATP kepada fruktosa -6- fosfat dan ATP sendiri akan berubah menjadi ADP.
Fosfofruktokinase dapat dihambat atau dirangsang oleh beberapa metabolit, yaitu
senyawa yang terlibat dalam proses metabolisme ini. Sebagai contoh, ATP yang
berlebih dan asam sitrat dapat menghambat, dilain pihak adanya AMP, ADP, dan
fruktosa-6- fosfat dapat menjadi efektor positif yang merangsang enzim
fosfofruktokinase. Enzim ini adalah suatu enzim alosterik dan mempunyai berat
molekul kira-kira 360.000.
1. Aldolase
Reaksi tahap keempat
dalam rangkaian glikolisis adalah penguraian molekul fruktosa -1,6- difosfat
membentuk dua molekul triosa fosfat, yaitu dihidroksi acetone fosfat dan
D-gliseraldehida-3-fosfat. Dalam tahap ini enzim aldolase yang menjadi katalis,
telah ditemukan dan dimurnikan oleh Warburg. Enzim ini terdapat dalam jaringan
tertentu dan dapat bekerja sebagai katalis dalam reaksi penguraian beberapa
ketosa dan monofosfat, misalnya fruktosa -1,6- difosfat, segoheptulosa -1,7-
difosfat, fruktosa -1- fosfat, Eritrulosa -1- fosfat. Hasil reaksi penguraian
tiap senyawa tersebut yang sama adalah dihidroksi acetone fosfat.
1. Triosafosfat Isomerase
Dalam reaksi penguraian
oleh enzim aldolase terbentuk dua macam senyawa, yaitu
D-gliseraldehida-3-fosfat dan dihidroksi aseton fosfat. Yang mengalami reaksi
lebih lanjut dam proses glikolisis ialah D-gliseraldehid-3-fosfat. Andaikata
sel tidak mampu mengubah dihidroksi aseton fosfat menjadi
D-gliseraldehida-3-fosfat, tentulah dihidroksi aseton fosfat akan tertimbun
dalam sel. Hal ini tidak berlangsung karena dalam sel terdapat enzim
triosafosfat isomerase yang dapat mengubah dihidroksi aseton fosfat menjadi
D-gliseraldehida-3-fosfat. Adanya keseimbangan antara kedua senyawa tersebut
dikemukakan oleh Meyerhof dan dalam keadaan keseimbangan dihidroksi aseton
fosfat terdapat dalam jumlah dari 90%. Enzim ini bekerja sebagai katalis pada
reaksi oksidasi gliseraldehida -3-fosfat menjadi asam 1,3 difosfogliserat.
Dalam reaksi ini digunakan koenzim NAD+, sedangkan gugus fosfat diperoleh dari
asam fosfat. Reaksi oksidasi ini mengubah aldehida menjadi asam karboksilat.
Gliseraldehida-3-fosfat dehidrogenase telah dapat diperoleh dalam bentuk
kristal dari ragi dan mempunyai berat molekul 145.000. Enzim ini adalah suatu
tetramer yang terdiri atas empat subunit yang masing-masing mengikat satu molekul
NAD+, jadi pada tiap molekul enzim terikat empat molekul NAD+.
1. Fosfogliseril Kinase
Reaksi yang menggunakan
enzim ini ialah reaksi pengubahan asam 1,3-difosfogliserat menjadi asam
3-fosfogliserat. Dalam reaksi ini terbentuk satu molekul ATP dari ADP dan ion
Mg++ diperlukan sebagai kofaktor. Oleh karena ATP adalah senyawa fosfat
berenergi tinggi, maka reaksi ini mempunyai fungsi untuk menyimpan energi yang
dihasilkan oleh proses glikolisis dalam bentuk ATP.
1. Fosfogliseril Mutase
Fosfogliseril mutase
bekerja sebagai katalis pada reaksi pengubahan asam 3-fosfogliserat menjadi
asam 2-fosfogliserat. Enzim ini berfungsi memindahkan gugus fosfat dari satu
atom C kepada atom C lain dalam satu molekul. Berat molekul enzim fosfogliseril
mutase yang diperoleh dari ragi ialah 112.000.
1. Enolase
Reaksi berikutnya ialah
reaksi pembentukan asam fosfoenol piruvat dari asam 2-fosfogliserat dengan
katalis enzim enolase dan ion Mg++ sebagai kofaktor. Reaksi pembentukan asam
fosfoenol piruvat ini ialah reaksi dehidrasi. Adanya ion F- dapat menghambat
kerjanya enzim enolase, sebab ion F- dengan ion Mg++ dan fosfat dapat membentuk
kompleks magnesium fluoro fosfat. Dengan terbentuknya kompleks ini akan
mengurangi jumlah ion Mg++ dalam campuran reaksi dan akibat berkurangnya ion
Mg++ maka efektivitas reaksi berkurang.
1. Piruvat Kinase
Enzim ini merupakan
katalis pada reaksi pemindahan gugus fosfat dari asam fosfoenolpiruvat kepada
ADP sehingga terbentuk molekul ATP dan molekul asam piruvat. Piruvat kinase
telah dapat diperoleh dari ragi dalam bentuk kristal. Enzim ini adalah suatu
tetramerdengan berat molekul 165.000. Dalam reaksi tersebut diatas, diperlukan
ion Mg++ dan K+ sebagai activator.
1. Laktat Dehidrogenase
Reaksi yang menggunakan
enzim laktat dehidrogenase ini ialah reaksi tahap akhir glikolisis, yaitu
pembentukan asam laktat dengan cara reduksi asam piruvat. Dalam reaksi ini
digunakan NADH sebagai koenzim.
Tinjauan Energi Proses
Glikolisis
Proses glikolisis
dimulai dengan molekul glukosa dan diakhiri dengan terbentuknya asam laktat.
Serangkaian reaksi-reaksi dalam proses glikolisis tersebut dinamakan juga jalur
Embden-Meyerhof.
Reaksi-reaksi yang
berlangsung pada proses glikolisis dapat dibagi dalam dua fase. Pada fase
pertama, glukosa diubah menjadi triosafosfat dengan proses fosforilasi. Fase
kedua dimulai dari reaksi oksidasi triosafosfat hingga terbentuk asam laktat.
Perbedaan antara kedua fase ini terletak pada aspek energi yang berkaitan
dengan reaksi-reaksi dalam kedua fase tersebut.
Dalam proses glikolisis
satu mol glukosa diubah menjadi dua mol asam laktat. Fase pertama dalam proses
glikolisis melibatkan dua mol ATP yang diubah menjadi ADP. Jadi fase pertama
ini menggunakan energi yang tersimpan dalam molekul ATP. Fase kedua mengubah
dua mol triosa yang terbentuk pada fase pertama menjadi dua mol asam laktat,
dan dapat menghasilkan 4 mol ATP. Jadi fase kedua ini menghasilkan energi.
Apabila ditinjau secara keseluruhan proses glikolisis ini menggunakan 2 mol ATP
dan menghasilkan 4 mol ATP sehingga masih ada sisa 2 mol ATP yang ekuivalen
dengan energi sebesar 14.000 kalori. Energi tersebut tersimpan dan dapat
digunakan oleh otot dalam energi mekanik. Oleh karena energi yang dibebaskan
untuk reaksi glukosa menjadi asam laktat adalah 56.000 kalori, maka dapat
dihitung bahwa efisiensi proses glikolisis ialah 14.000/56.000 x 100% = 25%.
Suatu tingkat efisiensi yang cukup tinggi.
Proses glikolisis tidak
hanya melibatkan glukosa saja, tetapi juga monosakarida lain, misalnya
fruktosa, galaktosa dan manosa. Monosakarida tersebut diserap melalui dinding
usus dibawa ke hati. Di sini beberapa monosakarida dan juga glikogen mengalami
beberapa reaksi pengubahan menjadi glukosa -6-fosfat dan selanjutnya masuk ke
dalam proses glikolisis, seperti halnya dengan glukosa. Enzim galaktokinase
merupakan katalis pada reaksi pembentukan galaktosa-1-fosfat dari galaktosa.
Kemudian galaktosa-1-fosfat diubah menjadi uridin difosfat galaktosa
(UDP-galaktosa) oleh enzim UDP galaktosapirofosforilase yang terdapat dalam
hati orang dewasa. Selanjutnya UDP galaktosa diubah menjadi UDP glukosa oleh
enzim UDP glukosa epimerase. Akhirnya UDP glukosa bereaksi dengan pirofosfat
dan membentuk UTP dan glukosa-1-fosfat. Reaksi ini berlangsung dengan adanya
enzim UDP glikosapirofosforilasesebagai katalis. Pada hati bayi atau anak-anak,
terdapat enzim fosfogalaktosa uridiltransferase. Enzim ini dapat mengubah
galaktosa-1-fosfat menjadi glukosa-1-fosfat.
Di samping
monosakarida, gliserol juga ikut serta dalam proses glikolisis. Gliserol
sebagai hasil hidrolisis lemak dapat diubah menjadi gliserol-3-fosfat oleh
enzim gliserolkinase. Gliserol-3-fosfat yang terbentuk kemudian diubah menjadi
dihidroksiasetonfosfat oleh enzim gliserilfosfatdehidrogenase. Dihidroksiaseton
fosfat terdapat dalam keadaan keseimbangan dengan gliseraldehida-3-fosfatyang
merupakan salah satu hasil antara dalam proses glikolisis.
Perubahan piruvat
menjadi asetilkoenzim-A
Reaksi oksidasi piruvat
hasil glikolisis menjadi asetilkoenzim-A, merupakan tahap reaksi penghubung
yang penting antara glikolisis dengan jalur metabolisme lingkar asam
trikarboksilat (daur Krebs). Reaksi yang dikatalisis oleh kompleks piruvat
dihidrogenase dalam matriks mitokondrion menghasilkan tiga macam enzim (piruvat
dehidrogenase, dihidrolipoil transasetilase, dan dihidrolipoil dehidrogenase),
lima macam koenzim (tiamin pirofosfat, asam lipoat, koenzim-A, flavin adenine
dinukleotida, dan nikotinamid adenine dinukleotida), dan berlangsung dalam lima
tahap reaksi. Keseluruhan reaksi dekarboksilasi ini irreversible, dengan ∆G° =
-8,0 kkal per mol.
Piruvat + NAD+ +
koenzim-A + NADH + CO2
Reaksi ini merupakan
jalan masuk utama karbohidrat kedalam daur Krebs. Tahap reaksi pertama
dikatalisis oleh piruvat dehidrogenase yang menggunakan tiamin pirofosfat
sebagai koenzimnya. Dekarboksilasi piruvat menghasilkan senyawa α-hidroksietil
didehidrogenase menjadi asetil yang kemudian dipindahkan dari tiamin pirofosfat
ke atom S dari koenzim yang berikutnya, yaitu asam lipoat, yang terikat pada
enzim dihidrolipoil transasetilase. Dalam hal ini gugus disulfide dari asam
lipoat diubah menjadi bentuk reduksinya, gugus sulfhidril. Pada tahap reaksi
ketiga, gugus asetil dipindahkan dengan perantara enzim dari gugus lipoil pada
asam dihidrolipoat, ke gugus tiol (sulfhidril pada koenzim-A). Kemudian
asetilkoenzim-A dibebaskan dari system enzim kompleks piruvat dehidrogenase.
Pada tahap reaksi keempat, gugus ditiol pada gugus lipoil yang terikat pada
dihidrolipoil transasetilase dioksidasi kembali menjadi bentuk disulfidanya
dengan enzim dihidrolipoil dehidrogenase yang berikatan dengan FAD (flafin
adenine dinulkeotida). Akhirnya (tahap reaksi kelima) FADH2 (bentuk reduksi
dari FAD) yang tetap terikat pada enzim, dioksidasi kembali oleh NAD+
(nikotinamid adenine dinukleotida) menjadi FAD, sedangkan NAD+ berubah menjadi
NADH (bentuk reduksi dari NAD+).
Pengaturan
dekarboksilasi piruvat
Telah diketahui bahwa
disamping mengandung tiga macam enzim tersebut diatas, kompleks enzim piruvat
dehidrogenase juga mempunyai dua macam enzim yang terdapat dalam sub unit
pengaturnya yaitu , piruvat dehidrogenase kinase dan piruvat dehidrogenase
fosfatase. Kedua enzim ini berperan dalam mengatur laju reaksi dekarboksilasi
piruvat dengan cara mengendalikan kegiatan sub unit katalitiknya pada kompleks
enzim piruvat dehidrogenase itu sendiri. Bila jumlah ATP yang dihasilkan oleh
daur Krebs dan fosforilasi bersifat oksidasi terlalu banyak, keseimbangan
reaksi berjalan ke bawah (laju reaksi fosforilasi sub unit katalitik kompleks
piruvat dehidrogenase bertambah besar) sehingga kegiatan kompleks piruvat
dehidrogenase terhambat dan menjadi tidak aktif. Hal ini menyebabakan
terhentinya reaksi pembentukan asetilkoenzim-A dari piruvat. Akibatnya, jumlah
asetil koenzim-A yang diperlukan untuk daur Krebs akan berkurang sehingga laju
reaksi daur Krebs terhsambat dan produksi ATP terhenti. Sebaliknya, bila jumlah
ADP banyak (ATP sedikit) keseimbangan reaksi didorong keatas (laju reaksi
defosforilasi kompleks piruvat dehidrogenase bertambah besar) sehingga kegiatan
kompleks piruvat dehidrogenase bertambah. Akibatnya reaksi dekarboksilasi
piruvat menjadi koenzim-A naik, sehingga laju reaksi daur Krebs bertambah besar
dan produksi ATP bertambah banyak.
Jalur metabolisme
piruvat
Piruvat dapat mengalami
berbagai jalur reaksi yang berbeda sehingga merupakan titik cabang metabolisme
karbohidrat. Sebagian dari jalur tersebut berlangsung dengan beberapa tahap
reaksi. Penambahan gugus amino akan mendorong pembentukan alanina dari piruvat.
Sebaliknya, reaksi perubahan alanina menjadi piruvat merupakan salah satu jalan
masuknya asam amino kedalam jalur metabolisme karbohidrat. Adanya CO2 yang
berlebih mendorong terjadinya oksalasetat dari piruvat. Reaksi bolak-balik
piruvat-laktat, seperti telah dibahas sebelumnya, merupakan jalur titik akhir
sitesis laktat. Metabolisme laktat berlangsung dengan terlebih dulu mengubahnya
kembali menjadi piruvat. Dalam keadaan normal, bila jumlah persediaan oksigen
dalam jaringan otot cukup banyak, piruvat tidak diubah menjadi laktat melainkan
didekarboksilasi menjadi asetilkoenzim-A. Melalui jalur metabolisme
glukoneogenesis, piruvat dapat diubah menjadi glukosa atau glikogen.
Proses dekarboksilasi
piruvat dapat berlangsung dengan dua cara, bergantung pada jasadnya. Di dalam
sel ragi, piruvat didekarboksilasi dengan mekanisme yang sederhana, menjadi
asetaldehida yang kemudian diubah menjadi etanol. Reaksi ini merupakan dasar
fermentasi alcohol. Cara dekarboksilasi lainnya adalah perubahan piruvat
menjadi asetilkoenzim-A melalui beberapa tahap reaksi enzim yang lebih
kompleks.