BAB I BIOENERGETIKA 1. KONSEP ENERGI
Energi sering menjadi pokok bahasan setiap hari, namun tak banyak orang yang memahami konsep dasar energi. Energi dapat ditinjau dari 3 sudut pandang, yaitu : biologis, fisika dan kimia. Bahasan selanjutnya dibatasi pada konsep energi ditinjau dari ilmu fisika. Ilmu Fisika memandang energi sebagai sebuah proses perubahan dan tubuh manusia merupakan media perubahan tersebut. Tubuh manusia berinteraksi dengan benda lain di alam ini dalam gaining dalam gaining and loosing. Posisi dan gerakan tubuh mempengaruhi keseimbangan energi tubuh. Pada posisi dan gerakan tertentu energi lebih besar dari kondisi lain.
Static Vs Vs Dyanam Dyanamic a. Kondisi : Stati Pada kondisi statis sebuah benda memiliki potensi energi tersimpan yang bergantung pada besar massa, gaya tarik gravitasi dan perbedaan ketinggian. Energi yang tersimpan pada sebuah benda diam disebut dengan energi potensial (Ep). Pada tubuh manusia, Ep bersifat relative karena pengertian diam dapat dikenakan pada tubuh secara utuh, sebagian anggota gerak, organ tubuh atau bahkan molekul penyusun tubuh manusia. Ep = m.g.h, dimana m: massa; g: gaya gravitasi; h: perbedaan ketinggian
Pada kondisi tertentu tubuh kehilangan sebagian massanya, seperti saat berenang, terutama di air asin. Saat berenang tubuh mendapatkan gaya dorong yang arahnya berlawanan dengan gaya gravitasi. Selain itu, kerapatan molekul air menentukan massa jenis air yang jauh lebih besar dari udara. Manusia Ma nusia yang tegak berdiri memiliki me miliki perbedaan Ep pada tiap t iap organya. Hal ini disebabkan oleh perbedaan posisi ketinggian dari dasar, misalnya Ep otak jauh lebih besar dibandingkan dengan Ep yang dimiliki patella. Sebaliknya bila manusia tidur terlentang, maka Ep tiap organ adalah sama karena tidak terdapat perbedaan ketinggian (Ep = 0). Dengan demikian manusia memiliki potensi yang lebih besar saat berdiri daripada tidur. Energi potensial (Ep) juga dimiliki oleh benda yang memiliki kelenturan (elastisitas). Semakin kaku sebuah benda, semakin besar potensi energi yang tersimpan dalam benda tersebut. Bila kita mampu memaksimalkan regangan pada benda yang memiliki kelenturan
maka semkin besar energi potensialnya. Dengan demikian besar Ep pada benda yang lentur tergantung pada konstanta kelenturan dan perbedaan panjang akibat regangan. Ep = ½. k. x2, dimana k: konstanta kelenturan dan x: perbedaan panjang
Tubuh manusia memiliki beberapa jaringan yang memiliki kelenturan (elastisitas), seperti : otot, kulit, dan tulang rawan. Sifat dari jaringan tersebut adalah memiliki gaya recoil, yaitu gaya yang memiliki kecenderungan kembali pada kondisi awal (seperti pegas). Gaya recoil sangat bergantung pada konstanta kelenturan dan besar regangan Gerakan yang menyebabkan perubahan posisi menandai kondisi dinamis. Kondisi dinamis tubuh manusia tidak hanya dipandang dari perubahan posisi tubuh, namun juga dapat dipandang dari perubahan posisi anggota gerak, organ tubuh atau bahkan molekul tubuh. Benda yang bergerak dan berubah posisinya memiliki energy kinetik (Ek). Ek bergantung pada besar massa dan kecepatan gerak benda berpindah posisi. Ek = ½ m v2 , dimana m: massa dan v: kecepatan gerakan.
Bentuk lain dari energi kinetik adalah energi alir darah dan energi termal tubuh. Ek yang muncul dari energi termal berasal dari tumbukan molekul gas yang bergerak tak beraturan akibat pemanasan.
Gaining Vs Loo L oos sing b. Proses : Gaining Tubuh manusia merupakan media bagi perubahan bentuk energi. Energi kimia berupa adenosine triphospat (ATP) dirubah menjadi energi potensial otot saat melepas salah satu ikatan fosfatnya. Tubuh yang bergerak tidak kehilangan energy potensialnya, justru besar energinya ditambah oleh energi kinetik yang muncul dari kecepatan gerakan tersebut. Tubuh akan selalu memperoleh dan kehilangan energi, karena tubuh manusia kontak dengan molekul dari benda lain di alam semesta. Dengan demikian energi di dalam tubuh manusia tidak bersifat absolut, namun relatif dan bergantung pada kondisi lingkungan sekitar. Selama proses gaining dan loosing ini seimbang maka tubuh manusia akan selalu sehat. Keseimbangan tersebut diperlukan untuk menjaga besaran fisiologis tubuh, seperti suhu 37 derajat celcius.
2. HUKUM KEKEKALAN ENERGI
Hukum kekekalan energi tidak mengenal awal dan akhir sebuah energi, bagaimana diciptakan dan ditiadakan. Hukum ini menjelaskan bahwa energi akan selalu berubah dalam bentuk dan besaranya. Hal inilah yang menyebabkan berbagai persamaan energy selalu berakhir dengan bilangan konstan atau nol (0). Σ (Ep + Ek) = 0, P.V = C, ΔQ = 0 Perubahan energi dari suatu bentuk menjadi bentuk yang lain selalu sama besarnya antara awal proses dan akhir proses. Peningkatan salah satu bentuk atau komponen energi akan selalu disertai dengan penurunan bentuk atau komponen lain dari energy tersebut. Dengan demikian ilmu Fisika tak pernah mengenal perubahan besar energi, karena selalu konstan setiap waktu.
3. UKURAN ENERGI TUBUH
Besarnya energi tubuh ditentukan dalam berbagai besaran dan ukuran variabel. Sebagian besar buku Fisika menyatakan energi dalam satuan joule, namun ada pula yang menyatakan energi dalam skala kalori. Kesetaraan antara joule dan kalori ditunjukkan oleh besaran 1 kalori = 4,2 joule. Beberapa buku fisiologi dan biokimia menyatakan potensi energi tubuh dalam jumlah adenosine triphosphat (ATP).1 ATP memiliki 2 ikatan berenergi tinggi yang bila terlepas akan membebaskan sejumah besar energi yang diubah dalam bentuk apapun. Jumlah ATP belum dapat diukur, namun gejala kurangnya ATP dapat diamati sebagai kelainan tubuh, seperti : muscle cramping. Alat dan metode pengukuran energi tubuh juga belum terstandarisasi. Hal ini menyulitkan di dalam penentuan potensi energi seorang manusia. Alat dan metode yang saat ini sering digunakan adalah kalorimetri melalui metode pemeriksaan metabolism basal dan kerja.
4. ENERGI TERMAL
Energi termal suatu zat adalah energi kinetik total dari atom dan molekul penyusun zat yang bergerak secara acak akibat pemanasan. Energi kinetik termal dapat berupa penambahan atom, rotasi, resonansi & translasi. Sebagai contoh adalah saat air yang mendidih memiliki gerakan molekul yang tak beraturan dan saling bertumbukan. Energi kinetik termal rata-rata dari gerakan atom dan molekul penyusun zat tertentu disebut dengan suhu. Suhu dikenal luas sebagai variabel penentu temperatur benda dan dunia medis menggunakan suhu untuk membantu mengakan diagnosa demam. Suhu diukur dengan alat yang disebut dengan
termometer. Prinsip kerja termometer adalah pemuaian dan penyusutan dari air raksa yang diletakan dalam tabung kapiler tertutup. Pemuaian air raksa menunjukan peningkatan suhu, sedangkan penyusutan menunjukan penurunan suhu. Sampai saat ini kita mengenal 4 macam termometer, yaitu : kelvin, celcius, farenheit, dan reamur. Persamaaan dari setiap termometer adalah kesepakatan penentuan skala maksimal dan minimal. Skala maksimal ditandai oleh perubahan air menjadi uap, sedangkan skala minimal ditandai oleh perubahan air menjadi es. Perbedaan antara satu termometer dengan yang lain terletak pada jumlah skalanya dan nilai derajat skala maksimal dan minimal. Untuk termometer kelvin dan celcius memiliki 100 skala, sedangkan reamur 80 skala dan farenheit 180 skala. Hanya celcius dan reamur yang memulai skala minimal dengan nol derajat, sedangkan kelvin memiliki skala minimal 273 derajat dan farenheit 212 derajat. Suhu ekstrim ditemukan pada nol derajat kelvin dimana tak ditemukan lagi organisme yang mampu bertahan hidup pada suhu tersebut. Suhu nol derajat kelvin disebut dengan nol absolut. Tubuh manusia berupaya untuk mempertahankan suhu pada lingkungan internal. Manusia memiliki mekanisme pengaturan suhu tubuh yang diperankan oleh hypothalamus. Hypothalamus berfungsi sebagai thermostat dan reseptor yang sensitive terhadap perubahan suhu. Suhu tubuh dipertahankan konstan pada 37 derajat celcius. Saat tubuh kehilangan panas atau memperoleh panas dari lingkungan eksternal dapat mempengaruhi reseptor panas dingin di kulit dan hypothalamus. Hal ini akan direspon dengan perubahan aliran darah perifer (vasokontsriksi atau vasodilatasi), produksi keringat, gerakan tubuh tertentu seperti mengigil dan frekuensi napas. Tubuh yang keliru merespon perubahan suhu sekitar akan mengalami demam. Pengukuran suhu tubuh dapat dilakukan pada beberapa tempat, seperti di dalam mulut, ketiak dan per rektal. Pemukuran per pektal mewakili suhu inti tubuh dan memiiki perbedaan antara 0,1 s/d 0.2 derajat dengan di ketiak. Suhu inti tubuh diyakini membentuk poros antara otak dan jantung. Kalor
Kalor adalah jumlah energi yang dipindahkan dari suatu benda ke benda lain akibat perbedaan suhu antara keduanya. Pengertian ini mengandung 2 komponen dasar dari kalor yaitu adanya perpindahan energi termal dan harus ada perbedaan suhu. Bila dua benda memiliki suhu yang sama maka tak mungkin terjadi perpindahan energi termal (kalor) diantara kedaanya. Satuan kalor adalah Joule dan Kalori (Kkal), 1 kal = 4,2 joule.
Q = m.c.ΔT, dimana Q: kalor, m: massa, c: kapasitas kalor, T : beda suhu
Kapasitas kalor adalah jumlah energi kalor yang dibutuhkan untuk menaikan suhu suatu zat sebanyak 1 C atau 1 K. Kapasitas kalor menunjukan konduktansi panas sebuah benda yang dipengaruhi oleh kerapatan molekul penyusun benda tersebut. Sedangkan istilah Kapasitas kalor spesifik (c) suatu zat adalah kapasitas kalor per satuan massa. Contoh : c air & es = 1 dan 0,5 kal/ gr C Perpindahan energi termal (kalor) terjadi melalui bebrapa mekanisme, antara lain: Konveksi : transfer energi memakai media zat alir (fluida) gas maupun cair, contoh : darah & udara respirasi. Infeksi tertentu akan menghasilkan pirogen yang mempengaruhi thermostat di hipothalamus. Suhu inti tubuh naik dan tubuh berupaya untuk memindahkan panas keluar melalui aliran darah dan udara respirasi, sehingga terjadilah demam. Konduksi : memakai media padat, harus ada kontak antar molekul, contoh : transfer melalui kulit dan otot. Tindakan mengkompress adalah upaya untuk menurunkan demam melalui konduksi. Bahan yang digunakan untuk mengkompress harus lebih dingin dari suhu tubuh. . Radiasi memanfaatkan media gelombang elektromagnet dalam mentransfer energy termal. Setiap benda di dalam sebuah rungan memancarkan radiasi, termasuk tubuh manusia. Transfer kalor melalui radiasi dapat diamati saat bermain api unggun atau siang hari saat matahari bersinar terang. Evaporasi: adalah prubahan air menjadi uap, di saat inilah terjadi pelepasan kalor. Tubuh yang berkeringat tidak mengalami penurunan suhu sebelum keringat tersebut kering. Evaporasi sangat bergantung kelembapan udara; semakin lembap udara, semakin tinggi kandungan air maka semakin sulit evaporasi terjadi.
BAB II SISTEM ENERGI 1. Sistem Energi
Kinerja manusia memerlukan energi. Energi tersebut berasal dari bahan makanan yang dimakan sehari-hari. Tujuan makan antara lain untuk pertumbuhan, mengganti sel-sel yang rusak dan untuk kontraksi otot. Semua energi yang dipergunakan dalam proses biologi bersumber dari matahari. Fox (1988) membagi enam bentuk energi, yaitu: a. energi kimia; b. energi mekanik; c. energi panas; d. energi sinar; e. energi listrik; dan f. energi nuklir. Energi yang dihasilkan dari proses oksidasi bahan makanan tidak dapat secara langsung digunakan untuk proses kontraksi otot atau proses-proses yang lainnya. Energi ini terlebih dahulu diubah menjadi senyawa kimia berenergi tinggi, yaitu Adenosine Tri Phosphate (ATP). ATP yang terbentuk kemudian diangkut ke setiap bagian sel yang memerlukan energi (Mayes, 1985; Fox, 1988). Adapun proses biologis yang menggunakan ATP sebagai sumber enereginya antara lain: proses biosintesis, transportasi ion-ion secara aktif melalui membran sel, kontraksi otot, konduksi saraf dan sekresi kelenjar (Mayes, 1985; Fox, 1988). Apabila ATP pecah menjadi Adenosine Diposphate (ADP) dan Phosphate inorganic (Pi), maka sejumlah energi akan dilepaskan. Energi inilah yang akan gunakan untuk kontraksi otot dan proses-proses biologi lainnya. Fox dan Mathews (1988) menerangkan, bila satu senyawa fospat dilepaskan dari 1 grl. ATP, maka akan keluar energi yang diperkirakan sebesar 7-12 Kcal. Selama kehidupan berjalan, maka fungsi tubuh akan berjalan terus, sehingga proses penyediaan energi dari ATP-pun akan berjalan terus (Amstrong, 1979; Mayes, 1985). Peranan ATP sebagai sumber energi untuk proses-proses biologi tersebut berlangsung secara mendaur ulang (siklus). ATP terbentuk dari ADP dan Pi melalui suatu proses fosforilasi yang dirangkaikan dengan proses oksidasi molekul penghasil energi. Selanjutnya ATP yang terbentuk dialirkan ke proses reaksi biologis yang membutuhkan energi untuk dihidrolisis menjadi ADP dan Pi sekaligus melepaskan energi yang dibutuhkan oleh proses biologi tersebut. Demikian seterusnya sehingga terjadi suatu daur ulang ATP - ADP secara terus menerus. Gugus fospat paling ujung pada molekul ATP dipindahkan ke molekul penerima gugus fospat dan selanjutnya digantikan oleh gugus fospat lainnya dari proses fosforilasi dan oksidasi molekul penghasil energi (Mays, 1985).
2. Sistem Energi Otot
Otot merupakan salah satu jaringan tubuh yang membutuhkan energi ATP. Energi tersebut digunakan otot untuk kontraksi sehingga menimbulkan gerakan-gerakan sebagai aktivitas fisik. Menurut Fox dan Bowers (1988) ATP paling banyak ditimbun dalam sel otot dibandingkan dengan jaringan tubuh lainya, akan tetapi ATP yang tertimbun di dalam sel otot jumlahnya sangat terbatas, yaitu sekitar 4 - 6 m M/kg otot. ATP yang tersedia ini hanya cukup untuk aktivitas cepat dan berat selama 3 - 8 detik (Katch dan Mc Ardle, 1986). Oleh karena itu, untuk aktivitas yang relatif lama, perlu segera dibentuk ATP kembali. Proses pembentukan ATP dalam otot secara sederhana dapat diperoleh melalui tiga cara, yaitu sebagai berikut: a. Sistem ATP - PC (Phosphagen System);
- ATP ADP + Pi + Energi ATP yang tersedia dapat digunakan untuk aktivitas fisik selama 1-2 detik. - CP + ADP C + ATP. ATP yang terbentuk dapat digunakan untuk aktivitas fisik selama 6-8 detik. b. Sistem Glikolisis Anaerobik (Lactic Acid System);
Glikogen/glukosa + ADP + Pi ATP + Asam laktat ATP terbentuk dapat digunakan untuk aktivitas fisik selama 45 - 120 detik. c. Sistem Erobic ( Aerobic System) dimana sistem ini meliputi oksidasin karbohidrat dan
lemak. Glikogen + ADP + Pi + O2 CO2 + H2O + ATP ATP yang terbentuk dapat digunakan untuk aktivitas fisi k dalam waktu relatif lama. 3. Sistem Energi Predominan Pada Cabang Olahraga
Aktivitas olahraga pada umumnya tidak hanya secara murni menggunakan salah satu sistem aerobik atau anaerobik saja. Sebenarnya yang terjadi adalah menggunakan gabungan sistem aerobik dan anaerobik, akan tetapi porsi kedua sistem tersebut berbeda pada setiap cabang olahraga (Fox, dkk. 1988 dan Janssen, 1989). Untuk cabang olahraga yang menuntut aktivitas fisik dengan intensitas tinggi dengan waktu relatif singkat, sistem energi predominannya adalah anaerobik, sedangkan pada cabang olahraga yang menuntut aktivitas fisik dengan intensitas rendah dan berlangsung relatif lama, sistem energi predominannya adalah aerobik. Sebagai gambaran Mc Ardle (1986) bahwa dalam menentukan sistem energi predominan adalah sebagai berikut: a. Sistem ATP, waktu kegiatannya 0 - 4 detik, bentuk kegiatannya berupa kekuatan dan power . Jenis kegiatan pada cabang olahraganya berupa lompat tinggi,
servis tenis, dan sebagainya; b. Sistem ATP-PC, waktu kegiatannya 0-10 detik, bentuk kegiatannya berupa power . Jenis kegiatan pada cabang olahraganya berupa lari sprint dan sebagainya; c. Sistem ATP-PC dan Asam laktat , waktu kegiatannya 0 - 1,5 menit, bentuk kegiatannya berupa anaerobik power . Jenis kegiatan dalam olahraganya berupa lari cepat, lari 200 meter, dan sebagainya; dan d. Sistem Erobik, waktu kegiatannya lebih dari 8 menit, bentuk kegiatannya berupa aerobik daya tahan. Jenis kegiatan olahraganya berupa lari marathon dan sebagainya. Aktivitas olahraga yang menggunakan sistem energi anaerob akan merangsang sistem energi aerob, hal ini untuk mendukung kelangsungan sistem anaerob. Jika sistem aerob tidak mencukupi untuk mendukung aktivitas yang menggunakan sistem anaerob, maka akan menjadi penghambat bagi kegiatan anaerob itu sendiri, berupa penurunan intensitas atau gerakan terhenti. Jadi untuk menentukan apakah sistem energi predominan pada suatu cabang olahraga dasarnya adalah berapa besar energi yang disediakan dan lama waktu yang diperlukan untuk penampilan pada olahraga tersebut, bukan ditentukan oleh macamnya gerakan saja. Sebagai patokan Giriwijoyo (1992) menjelaskan, untuk olahraga predominan aerobik apabila 70 % dari seluruh energi untuk penampilannya disediakan secara aerob dan oleh batas waktu minimal 8 menit, sedangkan untuk anaerobik apabila 70 % dari seluruh energi untuk penampilan disediakan secara anaerob dan oleh batas waktu maksimal 2 menit. Pada olahraga sepak bola sistem energi yang digunakan adalah sistem aerobik dan anaerobik. Dilihat dari aktivitas dalam permainan sepak bola selama 2 x 45 menit, jelas menggunakan sestem energi predominan aerobik. Dalam permainan 2 x 45 menit terdapat gerakan-gerakan yang ekplosif, baik dengan atau tanpa bola. Gerakan-gerakan ekplosif tersebut dilakukan secara berulang-ulang dengan diselingi waktu recovery yang cukup untuk bekerjanya sistem aerobik. Tanpa ditunjang dengan sistem aerobik, maka gerakan-gerakan eksplosif tidak dapat berlangsung dalam waktu relatif lama. Hal ini dikarenakan sistem energi aerobik tidak cukup untuk mengkafer gerakan-gerakan yang bersifat anaerobik, sehingga terjadi penurunan intensitas atau berhenti dulu untuk menunggu suplai energi yang disediakan oleh sistem aerobik. Untuk gerakan-gerakan yang lainnya, seperti jalan, jogging dan lainya tetap dikafer dengan sistem pembentukan energi aerobik. Besarnya liputan sistem energi aerobik terhadap sistem anaerobik ini merupakan dasar penentuan sistem predominan dalam suatu cabang olahraga. Pada cabang olahraga sepak bola, liputan sistem energi aerobik jauh lebih besar dari pada sistem anaerobik yang tidak dapat diliput, dengan demikian olahraga sepak bola secara komulatif 2 x 45 menit menggunakan energi predominannya adalah aerobik.
BAB III GLUKOSA DAN METABOLISME ENERGI
1. GLUKOSA
Karbohidrat glukosa merupakan karbohidrat terpenting dalam kaitannya dengan penyediaan energi di dalam tubuh. Hal ini disebabkan karena semua jenis karbohidrat baik monosakarida, disakarida maupun polisakarida yang dikonsumsi oleh manusia akan terkonversi menjadi glukosa di dalam hati. Glukosa ini kemudian akan berperan sebagai salah satu molekul utama bagi pembentukan energi di dalam tubuh. Berdasarkan bentuknya, molekul glukosa dapat dibedakan menjadi 2 jenis yaitu molekul D-Glukosa dan L-Glukosa. Faktor yang menjadi penentu dari bentuk glukosa ini adalah posisi gugus hidrogen (-H) dan alkohol ( – OH) dalam struktur molekulnya. Glukosa yang berada dalam bentuk molekul D & L-Glukosa dapat dimanfaatkan oleh sistim tumbuh-tumbuhan, sedangkan sistim tubuh manusia hanya dapat memanfaatkan DGlukosa. Di dalam tubuh manusia glukosa yang telah diserap oleh usus halus kemudian akan terdistribusi ke dalam semua sel tubuh melalui aliran darah. Di dalam tubuh, glukosa tidak hanya dapat tersimpan dalam bentuk glikogen di dalam otot & hati namun juga dapat tersimpan pada plasma darah dalam bentuk glukosa darah ( blood glucose). Di dalam tubuh selain akan berperan sebagai bahan bakar bagi proses metabolisme, glukosa juga akan berperan sebagai sumber energi utama bagi kerja otak. Melalui proses oksidasi yang terjadi di dalam sel-sel tubuh, glukosa kemudian akan digunakan untuk mensintesis molekul ATP (adenosine triphosphate) yang merupakan molukel molekul dasar penghasil energi di dalam tubuh. Dalam konsumsi keseharian, glukosa akan menyediakan hampir 50 — 75% dari total kebutuhan energy tubuh. Untuk dapat menghasilkan energi, proses metabolisme glukosa akan berlangsung melalui 2 mekanisme utama yaitu melalui proses anaerobik dan proses aerobik.
Proses metabolisme secara anaerobic akan berlangsung di dalam sitoplasma (cytoplasm) sedangkan proses metabolisme anaerobik akan berjalan dengan mengunakan enzim ysebagai katalis di dalam mitochondria dengan kehadiran Oksigen (O 2).
2. Metabolisme Glukosa 1. Proses Glikolisis
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 karbom (C 3H3O3). 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.
2. Respirasi Selular
Tahap metabolisme energi berikutnya akan berlangsung pada kondisi aerobik dengan mengunakan bantuan oksigen (O 2 ). 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 CO 2 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 AcetylCoA dalam siklus asam sitrat (Citric-Acid Cycle) serta Rantai Transpor Elektron ( Electron Transfer 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 6.2 akan memperlihatkan 3 tahap proses respirasi selular beserta Siklus. Asam Sitrat (Citric Acid Cycle) yang berfungsi sebagai pusat metabolisme tubuh.
Gambar 6.2
3. 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 CO 2 . 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 coenzim yang telibat dalam reaksi ini adalah TPP, NAD+, FAD, CoA & Lipoate. Gambar 6.3 akan memperlihatkan secara sederhana proses konversi piruvat. Dari gambar juga dapat dilihat bahwa proses konversi piruvat tidak hanya akan menhasilkan CO 2 dan Acetyl-CoA namun juga akan menghasilkan produk samping berupa NADH yang memiliki nilai energi ekivalen dengan 3xATP.
4. Proses oksidasi Acetyl-CoA (Citric-Acid Cycle)
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 CO + FADH + 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 molekul karbon dioksida (CO2), membebaskan koenzim A serta memindahkan energi yang dihasilkan pada siklus ini ke dalam senyawa NADH, FADH dan GTP. Selain menghasilkan CO 2 dan GTP, dari persamaan reaksi dapat terlihat bahwa satu putaran Siklus Asam Sitrat juga akan menghasilkan molekul NADH & molekul FADH . Untuk melanjutkan proses metabolisme energi, kedua molekul ini kemudian akan diproses kembali secara aerobik di dalam membran sel mitokondriamelalui
proses Rantai Transpor Elektron untuk menghasilkan produk akhir berupa ATP dan air (H2O).
Brief 5. Proses /Rantai Transpor Elektron
Proses konversi molekul FADH 2 dan NADH yang dihasilkan dalam siklus asam sitrat ( citric acid cycle) menjadi energi dikenal sebagai proses fosforilasi oksidatif (oxidative phosphorylation) atau juga Rantai Transpor Elektron (electron transport chain). Di dalam proses ini, elektron-elektron yang terkandung didalam molekul NADH & FADH 2 ini akan dipindahkan ke dalam aseptor utama yaitu oksigen (O 2). Pada akhir tahapan proses ini, elektron yang terdapat di dalam molekul NADH akan mampu untuk menghasilkan 3 buah molekul ATP sedangkan elektron yang terdapat dalam molekul FADH 2 akan menghasilkan buah molekul ATP. 6. Energi Metabolisme Glukosa
Secara keseluruhan proses metabolisme Glukosa akan menghasilkan produk samping berupa karbon dioksida (CO 2) dan air (H2O). Karbon dioksida dihasilkan dari siklus Asam Sitrat sedangkan air (H2O) dihasilkan dari proses rantai transport elektron. Melalui proses metabolisme, energi kemudian akan dihasilkan dalam bentuk ATP dan kalor panas. Terbentuknya ATP dan kalor panas inilah yang merupakan inti dari proses metabolisme energi. Melalui proses Glikolisis, Siklus Asam Sitrat dan proses Rantai Transpor Elektron, sel-sel yang tedapat di dalam tubuh akan mampu untuk mengunakan dan menyimpan energi yang dikandung dalam bahan makanan sebagai energi ATP. Secara umum proses metabolisme secara aerobik akan mampu untuk menghasilkan energi yang lebih besar dibandingkan dengan proses secara anaerobik. Dalam proses metabolisme secara aerobik, ATP akan terbentuk sebanyak 36 buah sedangkan proses anaerobik hanya akan menghasilkan 2 buah ATP. Ikatan yang terdapat dalam molekul ATP ini akan mampu untuk menghasilkan energi sebesar 7.3 kilokalor per molnya.
BAB IV METABOLISME KARBOHIDRAT Pada metabolisme karbohidrat pada manusia dan hewan secara umum, setelah melalui dinding usus halus sebagian besar monosakarida dibawa oleh aliran darah ke hati. Di dalam hati, monosakarida mengalami sintesis menghasilkan glikogen, oksidasi menjadi CO 2 dan H2O atau dilepaskan untuk dibawa dengan aliran darah kebagian tubuh yang memerlukannya. Sebagian lain monosakarida dibawa langsung ke sel jaringan organ tertentu dan mengalami proses metabolisme lebih lanjut. Karena pengaruh berbagai faktor dan hormon insulinyang dihasilkan oleh kelenjar pankreas, maka hati dapat mengatur kadar glukosa dalam darah. Bila kadar glkosa dalam darah meningkat sebagai akibat naiknya proses pencernaan dan penyerapan karbohidrat, sintesis glikogen dari glukosa oleh hati akan naik. Sebaliknya bila kadar glukosa menurun, misalnya akibat latihan olahraga, glikogern diuraikan menjadi glukosa yang selanjutnya mengalami proses katabolisme menghasilkan energi (dalam bentuk energi kimia, ATP) yang dibutuhkan oleh kegiatan olahraga tersebut. Kadar glukosa dalam darah merupakan faktor yang sangat penting untuk kelancaran kerja tubuh. Kadar normal glukosa dalam darah adalah 70-90 mg/100 ml. Keadaan dimana kadar glukosa berada di bawah 70mg/100ml disebut hipoglisemia, sedangkan diatas 90mg/100ml disebut hiperglisemia. Hipoglisemia yang ekstrem dapat menghasilkan suatu rentetan reaksi goncangan yang ditunjukkan oleh gejala gemetarnya otot, perasaan lemah badan dan pucatnya warna kulit. Hipoglisemia yang serius dapat menyebabkan kehilangan kesadaran sebagai akibat kekurangan glukosa dalam otak yang diperlukan untuk pembentukan energi, sehingga pada akhirnya dapat menyebabkan kematian. Kadar glukosa yang tinggi merangsang pembentukan glikogen dari glukosa, sintesis asam lemak dan kolesterol dari glukosa. Kadar glukosa antara 140 dan 170 mg/100 ml disebut kadar ambang ginjal, karena pada kadar ini glukosa diekskresi dalam kemih melalui ginjal. Gejala ini disebut glukosuria yaitu keadaan ketidakmampuan ginjal untuk menyerap kembali glukosa yang telah mengalami filtrasi melalui sel tubuh. Kadar glukosa dalam darah diatur oleh beberapa hormon. Insulin dihasilkan oleh kelenjar pankreas menurunkan kadar glukosa dengan menaikkan pembentukan glikogen dari glukosa. Adrenalin (epineprin) yang juga dihasilkan oleh pankreas, dan glukagon berperan dalam menaikkan kadar glukosa dalam darah. Semua faktor ini bekerjasama secara terkoordinasi
mempertahankan kadar glukosa tetap normal untuk menunjang berlangsungnya proses metabolisme secara optimum. 1. Biosintesis dan Perombakan Glikogen Glukosa 6-fosfat dan glukosa 1-fosfat merupakan senyawa antara dalam proses glikogenesis atau pembentukan glikogen dari glukosa. Proses kebalikannya, penguraian glikogen menjadi glukosa yang disebut glikogenolisis juga melibatkan terjadinya kedua senyawa antara tersebut tetapi dengan jalur yang berbeda seperti digambarkan pada Gambar 6. Senyawa antara UDP-glukosa (Glukosa Uridin Difosfat) terjadi pada jalur pembentukan tetapi tidak pada jalur penguraian glikogen. Demikian pula enzim yang berperan dalam kedua jalur tersebut juga berbeda. 2. Glikogenesis Gugus fosfat dan energi yang diperlukan dalam reaksi pembentukan glukosa 6-fosfat dsari glukosa diberikan oleh ATP yang berperan sebagai senyawa kimia berenergi tinggi. Sedang enzim yang mengkatalisnya adalah glukokinase. Selanjutnya, dengan fosfoglukomutase, glukosa 6-fosfat mengalami reaksi isomerasi menjadi glukosa 1-fosfat. Glukosa 1-fosfat bereaksi dengan uridin tri fosfat (UTP) dikatalis oleh glukosa 1-fosfat uridil transferase menghasilkan uridin difosfat glukosa (UDP-glukosa)dan pirofosfat (PPi). Mekanisme reaksi glikogenesis juga merupakan jalur metabolisme umum untuk biosintesis disakarida dan polisakarida. Dalam berbagai tumbuhan seperti tanaman tebu, disakarida sukrosa dihasilkan dari glukosa dan fruktosa melalui mekanisme biosintesis tersebut. Dalam hal ini UDP-glukosa abereaksi dengan fruktosa 6-fosfat, dikatalis oleh sukrosa fosfat sintase, membentuk sukrosa 6-fosfat yang kemudian dengan enzim sukrosa fosfatase dihidrolisis menjadi sukrosa. 3. Glikogenolisis Tahap pertama penguraian glikogen adalah pembentukan glukosa 1-fosfat. Berbeda dengan reaksi pembentukan glikogen, reaksi ini tidak melibatkan UDP-glukosa, da n enzimnya adalah glikogen fosforilase. Selanjutnya glukosa 1-fosfat diubah menjadi glukosa 6-fosfat oleh enzim yang sama seperti pada reaksi kebalikannya (glikogenesis) yaitu fosfoglukomutase. Tahap reaksi berikutnya adalah pembentukan glukosa dari glukosa 6-fosfat. Berbeda dengan reaksi kebalikannya dengan glukokinase, dalam reaksi ini enzim lain, glukosa 6-fosfatase, melepaskan gugus fosfat sehigga terbentuk glukosa. Reaksi ini tidak menghasilkan ATP dari ADP dan fosfat.
4. Glikololisis Proses penguraian karbohidrat menjadi piruvat. Juga disebut jalur metabolisme EmdenMeyergoff dan sering diartikan pula sebagai penguraian glukosa menjadi piruvat. Proses ini terjadi dalam sitoplasma. Glikolisis anaerob: proses penguraian karbohidrat menjadi laktat melalui piruvat tanpa melibatkan oksigen. Proses penguraian glukosa menjadi CO
dan air seperti juga semua proses oksidasi. Energi
yang dihasilkan dari proses penguraian glukosa ini adalah 690 kilo-kalori (kkal). glukosa + 6 O
6 CO + 6 H O + 690 kkal
Jumlah energi ini sebenarnya jauh lebih besar daripada jumlah energi yang dapat disimpan secara sangkil dalam bentuk energi kimia ATP yang dihasilkan dalam proses penguraian tersebut. Dengan adanya oksigen (dalam suasana aerob), glikolisis 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. Gambar 13 me-nunjukkan proses glikolisis secara keselurhan. Seperti halnya reaksi dengan glukokinase (reaksi tahap pertama) dan fosfofruktokinase (reaksi tahap ketiga), reaksi dengan piruvat kinase ini juga merupakan reaksi yang tidak reversibel, sehingga merupakan salah satu tahap reaksi pendorong glikolisis. 5. Glikolisis Anaerob Dalam keadaan tanpa oksigen respirasi terhenti karena proses pengangkutan elektron yang dirangkaikan
dengan
fosforilasi
bersifat
oksidasi
melalui
rantai
pernafasan
yang
menggunakan molekul oksigen sebagai penerima elektron terakhir, tidak berjalan. Akibatnya jalan metabolisme lingkar asam trikarboksilat (daur Krebs) akan terhenti pula sehingga piruvat tidak lagi masuk kedalam daur Krebs melainkan dialihkan pemakaiannya yaitu diubah menjadi asam laktat oleh laktat 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 dehodrogenase) tidak dipakai untuk membentuk ATP melainkan digunakan untuk reaksi reduksi 2 molekulasam piruvat menjadi asam laktat. Jadi paad glikolisis anaerob energi yang dihasilkannya hanya 2 molekul ATP saja. Jumlah ini jauh lebih kecil jika dibandingkan dengan energi yang dihasilkan oleh glikolisis aerob yaitu 8 ATP.
6. Fermentasi Alkohol Dalam beberapa jasad renik seperti ragi, glukosa dioksidasi menghasilkan etanol dan CO dalam proses yang disebut fermentasi alkohol. Jalur metabolisme proses ini sama dengan glikolisis sampai dengan terbentuknya piruvat. Dua tahap reaksi enzim berikutnya adalah reaksi perubahan asam piruvat menjadi asetaldehida, dan reaksi reduksi asetaldehida menjadi alkohol. Dalam reaksi yang pertama piruvat didekarboksilasi diubah menjadi asetaldehida dan CO oleh piruvat dekarboksilase, suatu enzim yang tidak terdapat pada hewan. Reaksi dekarboksilase ini merupakan reaksi yang tak reversibel, membutuhkan ion Mg
dan
koenzim tiamin pirofosfat. Reaksi berlangsung melalui beberapa senyawa antara yang teriakt secara kovalen pada koenzim. Dalam reaksi yang terakhir dibawah ini, asetaldehid direduksi oleh NADH dengan enzim alkohol dehodrogenase, menghasilkan etanol. Dengan demikian etanol dan CO
merupakan
hasil akhir fermentasi alkohol dan jumlah energi yang dihasilkannya sama dengan glikolisis anaerob. 7. Perubahan Piruvat Menjadi Asetilkoezim – A Reaksi oksidasi piruvat hasil glikolisis menjadi asetil koenzim-A, merupakan tahap reaksi penghubung yang penting antara glikolisis dengan jalur metabolisme lingkar asam trikarboksilat (daur Krebs). Reaksi yang diaktalisis oleh kompleks piruvat dehidrogenase dalam matriks mitokondria melibatkan tiga macam enzim (piruvat dehidrogenase, dihidrolipoil transasetilase, dan dihidrolipoil dehidrogenase), lima macam koenzim (tiaminpirofosfat, asam lipoat, koenzim-A, flavin adenin dinukleotida, dan nikotinamid adenin dinukleotida) dan berlangsung dalam lima tahap reaksi. Keseluruhan reaksi dekarboksilasi ini irreversibel, dengan ∆ G
= - 80 kkal per mol.
Piruvat + NAD + koenzim A asetil ko-A + NADh + CO Reaksi ini merupakan jalan masuk utama karbohidrat kedalam daur Krebs. Tahap reaksi pertama dikatalis oleh piruvat dehidrogenase yang menggunakan tiamin pirofosfat sebagai koenzimnya. Dekarboksilasi piruvat menghasilkan senyawa α-hidroksietil yang terkait pada gugus cincin tiazol dari tiamin pirofosfat. Pada tahap reaksi kedua 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 disulfida 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, kegugus tiol (sulfhidril pada koenzim-A). Kemudian asetil ko-A dibebaskan dari sistem enzim kompleks piruvat dehidrogenase. Pada tahap reaksi keempat gugus tiol pada gugus lipoil yang terikat pada dihidrolipoil transasetilase dioksidasi kembali menjadi bentuk disulfidanya dengan enzim dihidrolipoil dehidrogenase yang berikatan dengan FAD (flavin adenin dinukleotida). Akhirnya (tahap reaksi kelima) FADH
(bentuk reduksi dari FAD) yang tetap terikat pada
enzim, dioksidasi kembali oleh NAD
(nikotinamid adenin dinukleotida) manjadi FAD,
sedangkan NAD berubah menjadi NADH (bentuk reduksi dari NAD ). 8. Pengaturan Dekarboksilasi Piruvat Telah diketahui bahwa di samping mengandung tiga macam enzim tersebut di atas, 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 subunit katalitiknya pada kompleks enzim piruvat dehidrogenase itu sendiri. Bila jumlah ATP yang dihasilkan oleh daur krebas dan fosforilasi bersifat oksidasi terlalu banyak, keseimbangan reaksi akan berjalan kebawah (laju reaksi fosforilasi sub unit katalitik kompleks piruvat dehidrogenase bertambah besar) sehingga kegiatan kompleks piruvat dehidrogenase terhambat dan menjadi tidak aktif. Hal ini menyebabkan terhentinya reaksi pembentukan asetil ko-A dari piruvat. Akibatnya, jumlah asetil ko-A yang diperlukan untuk daur Krebs akan berkurang sehingga laju reaksi daur Krebs terhambat dan produksi ATP terhenti. Sebaliknya jika jumlah ADP banyak (ATP sedikit), keseimbangan reaaksi didorang ke atas (laju reaksi defosforilasi kompleks piruvat dehidrogenase bertambah besar) sehingga kegiatan kompleks piruvat dehidrogenase bertambah. Akibatnya, reaksi dekarboksilasi piruvat menjadi asetil ko-A naik, sehingga laju reaksi daur Krebs bertambah besar dan produksi ATP bertambah banyak. 9. Jalur Metabolisme Daur Asam Trikarboksilat Jalur metabolisme daur asam trikarboksilat (asam sitrat) pertama diketemukan oleh Krebs (1937). Oleh karena itu, jalur ini disebut pula daur Krebs. Jalur daur ini merupakan ajlur metabolisme yang utama dari berbagai senyawa hasil metabolisme, yaitu hasil katabolisme karbohidrat, lemak, dan protein. Asetil ko-A (sebagai hasil katabolisme lemak dan karbohidrat), oksalasetat, fumarat, dan α ketoglutarat (sebagaihasil katabolismeasam amino dan protein), masuk kedalam daur Krebs
untuk selanjutnya dioksidasi melalui beberapa tahap reaksi yang kompleks menjadi CO , H Odan energi ATP. Kegiatan daur asam tri karboksilat terdapat dalam sel hewan, tumbuhan, dan jasad renik yang aerob dan merupakan metabolisme penghasil energi yang utama. Jasad yang anaerob tidak menggunakan metabolisme daur ini sebagai penghasil energinya. Daur Krebs merupakan bagian rangkaian proses pernafasan yang panjang dan kompleks, yaitu oksidasi glukosa menjadi CO dan H O serta produksi ATP. Proses pernafasan terdiri dari 4 tahap utama: 1) glikolisis (oksidasi glukosa menjadi piruvat), 2) konversi piruvat ke asetil ko-A, 3) daur Krebs dan 4) proses pengangkutan elektron melalui rantai pernafasan yang dirangkaikan degan sintesis ATP dari ADP = Pi melalui proses fosforilasi bersifat oksidasi. Didalam sel eukariota, metabolisme asam trikarboksilat berlangsung didalam mitokondrion. Sebagian enzim dalam metabolisme ini terdapat di dalam cairan matriks dan sebagian lagi terikat pada bagian dalam membran mitokondrion.
10. Energi yang Dihasilkan oleh Glikolisis dan DAur Asam Trikarboksilat Dari pembahasan tentang daur asam trikarboksilat sebelumnya, ternyata terdapat dua tahap reaksi yang masing-masing menghasilkan satu molekul CO ; tiga reaksi menghasilkan NADH; satu reaksi menghasilkan GTP; satu reaksi menghasilkan FADH . Satu molekul GTP dapat menghasilkan satu molekul ATP. Dalam proses pengangkutan elektron melalui rantai pernafasan yang dikaitkan dengan fosforilasi bersifat oksidasi, satu molekul NADH dan satu FADH
masing-masing menghasilkan 3 dan 2 molekul ATP.
Dengan demikian oksidasi satu molekul asetil ko-A dalam daur Krebs menghasilkan (3 x 3 + 2 x 1 + 1) ATP = 12 ATP. Bila proses oksidasi itu dimulai dari piruvat, jumlah molekul ATP yang dihasilkan adalah 12 + 3 = 15untuk setiap molekul piruvat (pembentukan satu molekul asetil ko-A dari satu molekul piruvat menghasilkan satu molekul NADH). Oksidasi satu molekul glukosa melalui glikolisis menjadi dua molekul piruvat, menghasilak 8 ATP. Dengan demikian oksidasi sempurna satu molekul glukosa menjadi CO menghasilkan 2 x 15 + 8 = 38 ATP.
+ H O
DAFTAR PUSTAKA Conn, E.E. 1987. Outlines of Biochemistry. New York USA: John Wiley & Sons. Girindra, A. 1986. Biokimia. Jakarta: Gramedia Kusnawidjaja, Karunia. 1987. Biokimia. Bandung: Alumni Lehninger, A.L. 1982. Biochemistry. New york: Worth Publisher Inc. Robert I. Dryer dkk. 1993. Biokimia. Yogyakarta: UGM-Press. Schumm, Dhoroty E. 1993. Intisari Biokimia. Jakarta: Binarupa Aksara. Stryer, Lubert. 2000. Biokomia. Jakarta: Penerbit Buku Kedokteran EGC. Suwanto. 2002. Bioteknologi, Jakarta: Pusat Penerbit Universitas Terbuka Jakarta Trehan, K. 1980. Biochemistry. New delhi: Wiley Eastern Limited. Wirahardikusumah, Muhamad. 1985. Biokimia. Bandung: ITB. Wirahadikusumah, M. 1983. Biokimia Protein Enzim dan Asam Nukleat . Bandung: Penerbit ITB http://mantrinews.blogspot.com/2011/07/metabolisme-karbohidrat.html
