Bioenergi Sel dan Fosforilasi Oksidatif Perolehan ATP Dari Karbohidrat (Glikolisis dan Oksidasi Piruvat).

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.