PROSES GLIKOLISIS, GLUKONEOGENESIS, DAN SIKLUS KREB SERTA PENGENDALIANNYA
diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Tugas Mata Kuliah BIOKIMIA II
Disusun oleh : KELOMPOK 3 REGULER-2 Nurfatimah Esya Dian Aji Fahmi Nissa Nurfajrin Solihat Natalia Debora P Novia Mintari Gilang Pramana
J2C009066 J2C009073 J2C008089 24030110151008 24030111150011 24030111150005 24030111150017
JURUSAN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS DIPONEGORO 2011
KATA PENGANTAR Puji dan syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan berkat-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan makalah ini. Penulisan makalah ini bertujuan untuk memenuhi tugas mata kuliah Biokimia II. Makalah ini membahas mengenai metabolisme karbohidrat yang meliputi, glikolisis, glukoneogenesis dan siklus krebs. Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada semua pihak yang telah membantu baik secara langsung maupun tidak langsung sehingga makalah ini dapat terselesaikan, khususnya kepada Ibu Nies selaku dosem mata kuliah Biokimia II yang telah membimbing tim penulis untuk memahami materi ini sehingga makalah ini dapat terselesaikan dengan baik. Saran dan kritik dari semua pihak yang bersifat membangun selalu diharapkan demi kesempurnaan makalah ini. Semoga makalah ini dapat bermanfaat bagi pembaca dan dapat menjadi sarana pembelajaran bagi pembaca di masa yang akan datang.
Semarang, 20 Oktober 2011
Tim Penulis
i
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR ..................................................................................................i DAFTAR ISI ................................................................................................................ ii DAFTAR GAMBAR .................................................................................................. iii BAB I PROSES GLIKOLISIS .................................................................................... 1 A. Proses Glikolisis ................................................................................................ 1 B. Tahap-tahap reaksi Glikolisis : ........................................................................ 2 C. Respirasi Selular ............................................................................................... 4 D. Produksi acetyl-CoA (Proses Konversi Pyruvate) .......................................... 6 BAB II GLUKONEOGENESIS.................................................................................. 7 A. Proses Glukoneogenesis ................................................................................... 7 B. Pengaturan Glukoneogenesis ......................................................................... 10 BAB III SIKLUS KREBS ......................................................................................... 12 A. Siklus Kreb ...................................................................................................... 12 DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................ 15
ii
DAFTAR GAMBAR Gambar 1 Tahap reaksi Endergonik ................................................................................. 3 Gambar 2 Tahap reaksi Eksergonik ................................................................................. 4 Gambar 3 tahap proses respirasi selular beserta Siklus Asam Sitrat .................................. 5 Gambar 4 proses konversi piruvat ................................................................................... 6 Gambar 5 Skema Glukoneogenesis ................................................................................. 8 Gambar 6 Glikolisis dan Glukoneogenesis..................................................................... 10 Gambar 7 Siklus Asam Sitrat ........................................................................................ 13
iii
BAB I PROSES GLIKOLISIS A. Proses Glikolisis Glikolisis merupakan suatu lingkup dari metabolisme karbohidrat dimana terjadinya tahap-tahap penguraian glukosa menjadi piruvat. Glikolisis disebut juga EMP (Embden MayerHoff Pathway). Proses glokolisis ini terjadi dalam sitosol. Glikolisis merupakan suatu reaksi oksidasi glukosa menjadi energi (ATP) (adenosine triphosphate) yang merupakan molekul dasar penghasil energi di dalam tubuh. Dalam konsumsi keseharian, glukosa akan menyediakan hampir 50—75% dari total kebutuhan energi tubuh. Untuk dapat menghasilkan energi, proses metabolisme glukosa akan berlangsung melalui 2 mekanisme utama yaitu melalui proses anaerobik dan proses aerobik. Proses metabolisme secara anaerobik akan berlangsung di dalam sitoplasma (cytoplasm) sedangkan proses metabolisme aerobik akan berjalan dengan mengunakan enzim sebagai katalis di dalam mitokondria dengan kehadiran Oksigen. Pada keadaan aerob, serangkaian tahap dari reaksi glikolisis yang menghasilkan asam piruvat masuk kedalam mitokondria lalu teroksidasi menjadi asetil KoA kemudian asetil KoA masuk ke dalam siklus Kreb mengalami fosforilasi oksidatif menghasilkan ATP, CO2, dan H2O. Tahap awal metabolisme konversi glukosa menjadi energi di dalam tubuh akan berlangsung secara anaerobik melalui proses yang dinamakan Glikolisis (Glycolysis). Proses ini berlangsung dengan mengunakan bantuan 10 jenis enzim yang berfungsi sebagai katalis di dalam sitoplasma (cytoplasm) yang terdapat pada sel eukaryotik (eukaryotic cells). Inti dari keseluruhan proses glikolisis adalah untuk mengkonversi glukosa menjadi produk akhir berupa piruvat. Pada proses Glikolisis, 1 molekul glukosa yang memiliki 6 atom karbon pada rantainya (C6H12O6) akan terpecah menjadi produk akhir berupa 2 molekul piruvat (pyruvate) yang memiliki 3 atom karbon (C3H3O3).
1
Proses ini berjalan melalui beberapa tahapan reaksi yang disertai dengan terbentuknya beberapa senyawa antara seperti Glukosa 6-fosfat dan Fruktosa 6-fosfat. Selain akan menghasilkan produk akhir berupa molekul piruvat, proses glikolisis ini juga akan menghasilkan molekul ATP serta molekul NADH (1 NADH=3 ATP). Molekul ATP yang terbentuk ini kemudian akan diekstrak oleh sel-sel tubuh sebagai komponen dasar sumber energi. Melalui proses glikolisis ini 4 buah molekul ATP & 2 buah molekul NADH (6 ATP) akan dihasilkan serta pada awal tahapan prosesnya akan mengkonsumsi 2 buah molekul ATP sehingga total 8 buah ATP akan dapat terbentuk. Adapun tahap-tahap reaksinya dapat dilihat pada reaksi dibawah ini. B. Tahap-tahap reaksi Glikolisis : 1. Tahap reaksi endergonik (pemakaian energi) :
2
Gambar 1 Tahap reaksi Endergonik 2. Tahap reaksi eksergonik (pembentukan energi) :
3
Gambar 2 Tahap reaksi Eksergonik Reaksi-reaksi pada Glikolisis pada umumnya berjalan 2 arah, kecuali 3 reaksi berikut berjajan searah: 1. Glukosa 2. Fruktosa 6P 3. PEP
glukosa 6P Fruktosa 1.6 diP Piruvat
Reaksi kebalikan berlangsung dengan enzim yang berbeda. Reaksi kebalikan dari glikolisis adalah glikoneogenesis. Oleh karena itu pada reaksi satu arah disini merupakan pengendali/ regulasi antara glikolisis dan glukoneogenesis.
C. Respirasi Selular Tahap metabolisme energi berikutnya akan berlangsung pada kondisi aerobik dengan mengunakan bantuan oksigen (O2). Bila oksigen tidak tersedia maka molekul piruvat hasil proses glikolisis akan terkonversi menjadi asam laktat. Dalam kondisi aerobik, piruvat hasil proses glikolisis akan teroksidasi menjadi produk akhir berupa H2O dan CO2 di dalam tahapan proses yang dinamakan respirasi selular (Cellular respiration). Proses respirasi selular ini terbagi menjadi 3 tahap utama yaitu produksi Acetyl-CoA, proses oksidasi Acetyl-CoA dalam siklus asam sitrat (Citric-Acid Cycle) serta Rantai Transpor Elektron (Electron Transfer
4
Chain/Oxidative Phosphorylation). Tahap kedua dari proses respirasi selular yaitu Siklus Asam Sitrat merupakan pusat bagi seluruh aktivitas metabolisme tubuh. Siklus ini tidak hanya digunakan untuk memproses karbohidrat namun juga digunakan untuk memproses molekul lain seperti protein dan juga lemak. Gambar 3 akan memperlihatkan 3 tahap proses respirasi selular beserta Siklus Asam Sitrat (Citric Acid Cycle) yang berfungsi sebagai pusat metabolisme tubuh.
Gambar 3 tahap proses respirasi selular beserta Siklus Asam Sitrat 5
D. Produksi acetyl-CoA (Proses Konversi Pyruvate) Sebelum memasuki Siklus Asam Sitrat (Citric Acid Cycle) molekul piruvat akan teroksidasi terlebih dahulu di dalam mitokondria menjadi Acetyl-Coa dan CO2. Proses ini berjalan dengan bantuan multi enzim pyruvate dehydrogenase complex (PDC) melalui 5 urutan reaksi yang melibatkan 3 jenis enzim serta 5 jenis coenzim. 3 jenis enzim yang terlibat dalam reaksi ini adalah enzim Pyruvate Dehydrogenase (E1), dihydrolipoyl transacetylase (E2) & dihydrolipoyl dehydrogenase (E3), sedangkan koenzim yang telibat dalam reaksi ini adalah TPP, NAD+, FAD, CoA & Lipoate. Gambar 4 akan memperlihatkan secara sederhana proses konversi piruvat. Dari gambar juga dapat dilihat bahwa proses konversi piruvat tidak hanya akan menghasilkan CO2 dan Acetyl-CoA namun juga akan menghasilkan produk samping berupa NADH yang memiliki nilai energi ekivalen dengan 3xATP.
Gambar 4 proses konversi piruvat
6
BAB II GLUKONEOGENESIS A. Proses Glukoneogenesis Asam laktat yang terjadi pada proses glikolisis dapat dibawa oleh darah ke hati. Disini asam laktat diubah menjadi glukosa kembali melalui serangkaian reaksi dalam suatu proses yang disebut glukoneogenesis (pembentukan gula baru). Pada dasarnya glukoneogenesis ini adalah sintesis glukosa dari senyawa-senyawa bukan karbohidrat, misalnya asam laktat dan beberapa asam amino. Proses glukoneogenesis berlangsung terutama dalam hati. Walaupun proses glukoneogenesis ini adalah sintesis glukosa, namun bukan kebalikan dari proses glikolisis karena ada tiga tahap reaksi dalam glikolisis yang tidak reversible, artinya diperlukan enzim lain untuk kebalikannya dari gambar 6. heksokinase
1.
Glukosa + ATP
Glukosa-6-Posfat + ADP
2.
Fruktosa-6-posfat + ATP fosfofruktokinase fruktosa 1,6 diposfat + ADP
3.
Fosfoenol piruvat + ADP
piruvatkinase
asam piruvat + ATP
Dengan adanya tiga tahap reaksi yang tidak reversible tersebut, maka proses glukoneogenesis berlangsung melalui tahap reaksi lain, yaitu : 1. Fosfoenolpiruvat dibentuk dari asam piruvat melalui pembentukan asam oksalo asetat. (a) asam piruvat + CO2 + ATP + H2O asam oksalo asetat + + ADP + Fosfat + 2H (b) oksalo asetat + guanosin trifosfat guanosin difosfat + CO2
fosfoenol
piruvat
+
Reaksi (a) menggunakan katalis piruvatkarboksilase dan reaksi (b) menggunakan fosfoenolpiruvat karboksilase. Jumlah reaksi (a) dan (b) ialah : asam piruvat + ATP + GTP + H2O GDP + fosfat + 2H+
fosfoenolpiruvat + ADP +
7
2. Fruktosa-6-fosfat dibentuk dari fruktosa-1,6-difosfat dengan cara hidrolisis oleh enzim fruktosa-1,6-difosfatase. fruktosa-1,6-difosfat + H2O
fruktosa-6-fosfat + fosfat
3. Glukosa dibentuk dengan cara hidrolisis glikosa-6-fosfat dengan katalis glukosa-6-fosfatase. glukosa-6-fosfat + H2O glukosa + fosfat Secara garis besar proses pembentukan glukosa dapat dilihat pada gambar berikut :
Gambar 5 Skema Glukoneogenesis
8
Dari skema tersebut tampak adanya hubungan antara glukoneogenesis dengan siklus asam sitrat, yaitu suatu siklus reaksi kimia yang mengubah asam pirivat menjadi CO2 + H2O dan menghasilkan sejumlah energi dalam bentuk ATP, dengan proses oksidasi aerob. Apabila otot berkontraksi untuk bekerja, maka asam piruvat dan asam laktat dihasilkan oleh proses glikolisis. Asam piruvat digunakan dalam siklus asam sitrat. Pada waktu otot digunakan, jumlah asam piruvat yang dihasilkan melebihi jumlah asam piruvat yang digunakan dalam siklus asam sitrat. Dalam keadaan demikian sejumlah asam piruvat diubah menjadi asam laktat dengan proses reduksi. Reaksi ini akan menghasilkan NAD+ dari NADH.
Dalam proses glikolisis, asam laktat adalah hasil yang terakhir. Untuk metabolisme yang lebih lanjut, asam laktat harus diubah kembali menjadi asam piruvat terlebih dahulu. Demikian juga untuk proses glukoneogenesis.
9
Gambar 6 Glikolisis dan Glukoneogenesis
B.
Pengaturan Glukoneogenesis Hati
dapat
membuat
glukosa
melalui
glukoneogenesis
dan
menggunakan glukosa melalui glikolisis sehingga harus ada suatu sistem pengaturan yang mencegah agar kedua lintasan ini bekerja serentak. Sistem pengaturan juga harus menjamin bahwa aktivitas metabolik hati sesuai dengan status gizi tubuh yaitu pembentukan glukosa selama puasa dan menggunakan glukosa saat glukosa banyak. Aktivitas glukoneogenesis dan glikolisis diatur secara terkoordinasi dengan cara perubahan jumlah relatif glukagon dan insulin dalam sirkulasi. Bila kadar glukosa dan insulin darah turun, asam lemak dimobilisasi dari cadangan jaringan adipose dan aktivitas oksidasi dalam hati meningkat. Hal
10
ini mengakibatkan peningkatan konsentrasi asam lemak dan asetil-KoA dalam hati. Karena asam amino secara serentak dimobilisasi dari otot, maka juga terjadi peningkatan kadar asam amino terutama alanin. Asam amino hati diubah menjadi piruvat dan substrat lain glukoneogenesis. Peningkatan kadar asam lemak, alanin, dan asetil-KoA semuanya memegang peranan mengarahkan
substrat
masuk
ke
glukoneogenesis
dan
mencegah
penggunaannya oleh siklus asam sitrat. Asetil-KoA secara alosterik mengaktifkan piruvat karboksilase dan menghambat piruvat dehidrogenase. Oleh karena itu, menjamin bahwa piruvat akan diubah menjadi oksaloasetat. Piruvat kinase dihambat oleh asam lemak dan alanin, jadi menghambat pemecahan PEP yang baru terbentuk menjadi piruvat. Pengaturan hormonal fosfofruktokinase dan fruktosa-1,6-bisfosfatase diperantarai oleh senyawa yang baru ditemukan yaitu fruktosa 2,6-bisfosfat. Pembentukan dan pemecahan senyawa pengatur ini dikatalisis oleh enzim-enzim yang diatur oleh fosforilasi dan defosforilasi. Perubahan konsentrasi fruktosa-2,6-bisfosfat sejajar dengan perubahan untuk glukosa dan insulin yaitu konsentrasinya meningkat bila glukosa banyak dan berkurang bila glukosa langka. Fruktosa-2,6-
bisfosfat
secara
alosterik
mengaktifkan
fosfofruktokinase dan menghambat fruktosa 1,6-bisfosfatase. Jadi, bila glukosa banyak maka glikolisis aktif dan glukoneogenesis dihambat. Bila kadar glukosa turun, peningkaan glukagon mengakibatkan penurunan konsentrasi fruktosa-2,6-bisfosfat dan penghambatan yang sederajat pada glikolisis dan pengaktifan glukoneogenesis.
11
BAB III SIKLUS KREBS A.
Siklus Kreb Siklus kreb disebut juga sebagai siklus asam sitrat, yaitu serangkaian reaksi kimia dalam sel pada mitokondria yang berlangsung secara berurutan dan berulang. Molekul Acetyl CoA yang merupakan produk akhir dari proses konversi Pyruvate kemudian akan masuk kedalam Siklus Asam Sitrat. Secara sederhana persamaan reaksi untuk 1 Siklus Asam Sitrat (Citric Acid Cycle) dapat dituliskan : Acetyl-CoA + oxaloacetate + 3 NAD+ + GDP + Pi +FAD oxaloacetate + 2 CO2 + FADH2 + 3 NADH + 3 H+ + GTP
Siklus ini merupakan tahap akhir dari proses metabolisme energi glukosa. Proses konversi yang terjadi pada siklus asam sitrat berlangsung secara aerobik di dalam mitokondria dengan bantuan 8 jenis enzim. Inti dari proses yang terjadi pada siklus ini adalah untuk mengubah 2 atom karbon yang terikat didalam molekul Acetyl-CoA menjadi 2 molekul karbon dioksida (CO2), membebaskan koenzim A serta memindahkan energi yang dihasilkan pada siklus ini ke dalam senyawa NADH, FADH 2 dan GTP. Selain menghasilkan CO2 dan GTP, dari persamaan reaksi dapat terlihat bahwa satu putaran Siklus Asam Sitrat juga akan menghasilkan molekul NADH & molekul FADH2. Untuk melanjutkan proses metabolisme energi, kedua molekul ini kemudian akan diproses kembali secara aerobik di dalam membran sel mitokondria melalui proses Rantai Transpor Elektron untuk menghasilkan produk akhir berupa ATP dan air (H2O). Reaksi pertama daur Krebs adalah reaksi kondensasi, yaitu bergabungnya suatu unit empat karbon, oksaloasetat, dengan suatu unit 12
dua karbon, gugus asetil dari asetil KoA. Asetil KoA bereaksi dengan oksaloasetat dan air menghasilkan sitrat dan KoA. Reaksi ini dikatalisis oleh sitrat sintase. Adapun jalur siklus asam sitrat dapat dilihat di Gambar 7 berikut ini.
Gambar 7 Siklus Asam Sitrat
Adapun fungsi dari daur siklus kreb adalah :
13
1. Berfungsi mengoksidasi hasil glikolisis mjd CO2 dan juga menyimpan energi ke bentuk molekul berenergi tinggi seperti ATP, NADH, FADH2 2. Sentral dalam siklus oksidatif dlm respirasi dimana semua makromolekul dikatabolisis (Karbohidrat, Lipid dan Protein) 3. Untuk kelangsungannya membutuhkan : NAD, FAD, ADP, Pyr dan OAA 4. Menghasilkan senyawa intermediet yg penting asetil Co A, KG & OAA 5. Merupakan prekursor untuk biosintesis makromolekul– makromolekul.
Sumber-sumber asetil KoA sebagai bahan baku siklus Krebs: 1. Dari hasil metabolisme karbohidrat melalui proses glikolisis yang menghasilkan Piruvat kemudian dioksidasi secara aerob menjadi asetil KoA lalu masuk kedalam siklus kreb. 2. Dari hasil metabolisme asam lemak melalui jalur β-oksidasi. 3. Dari hasil metabolisme asam amino melalui jalur degradasi asam amino.
14
DAFTAR PUSTAKA Anonim, 2010, Glukosa dan Metabolisme Energi, Polton Sports and Performa Lab. Hanafi, 2010. Glukoneogenesis. [terhubung berkala] http://mhanafi123.files.wordpress.com/2010/01/3-glukoneogenesis-pdf.pdf. Di akses tanggal : 20 Oktober 2011 Meiyanto Eddy, 2009. Glikolisis. [terhubung http://edymei.blog.ugm.ac.id/files/2009/03/viii-glikolisis.pdf. tanggal : 20 Oktober 2011
Di
berkala] akses
Poedjiadi, A., 2005, Dasar-dasar Biokimia, UI-Press, Jakarta. Wirahadikusumah,M., 1985, Biokimia Metabolisme Energi, Karbohidrat, dan Lipid, Penerbit ITB, Bandung. Tim Pengajar Biologi FMIPAUI, 2010. Metabolisme Karbohidrat. [terhubung berkala] http://repository.ui.ac.id/contents/koleksi/11/300c24672b3933.pdf. Di akses tanggal : 20 Oktober 2011 Tim Pengajar Biokimia TPB-IPB, 2010. Respirasi Sel. [terhubung berkala] http://bima.ipb.ac.id/~tpb.ipb/materi/biologi/Kuliah%203%20Respirasi%20 Selular.pdf. Di akses tanggal : 20 Oktober 2011
15
