Metabolisme Intermediet_Secure

METABOLISME Intermediat

Pasal 113 Undang-Undang Nomor 28 Tahun 2014 tentang Hak Cipta: (1) Setiap Orang yang dengan tanpa hak melakukan pelanggaran hak ekonomi sebagaimana dimaksud dalam Pasal 9 ayat (1) huruf i untuk Penggunaan Secara Komersial dipidana dengan pidana penjara paling lama 1 (satu) tahun dan/atau pidana denda paling banyak Rp100.000.000 (seratus juta rupiah). (2) Setiap Orang yang dengan tanpa hak dan/atau tanpa izin Pencipta atau pemegang Hak Cipta melakukan pelanggaran hak ekonomi Pencipta sebagaimana dimaksud dalam Pasal 9 ayat (1) huruf c, huruf d, huruf f, dan/atau huruf h untuk Penggunaan Secara Komersial dipidana dengan pidana penjara paling lama 3 (tiga) tahun dan/atau pidana denda paling banyak Rp500.000.000,00 (lima ratus juta rupiah). (3) Setiap Orang yang dengan tanpa hak dan/atau tanpa izin Pencipta atau pemegang Hak Cipta melakukan pelanggaran hak ekonomi Pencipta sebagaimana dimaksud dalam Pasal 9 ayat (1) huruf a, huruf b, huruf e, dan/atau huruf g untuk Penggunaan Secara Komersial dipidana dengan pidana penjara paling lama 4 (empat) tahun dan/atau pidana denda paling banyak Rp1.000.000.000,00 (satu miliar rupiah). (4) Setiap Orang yang memenuhi unsur sebagaimana dimaksud pada ayat (3) yang dilakukan dalam bentuk pembajakan, dipidana dengan pidana penjara paling lama 10 (sepuluh) tahun dan/atau pidana denda paling banyak Rp4.000.000.000,00 (empat miliar rupiah).

METABOLISME Intermediat Suhartati Siti Khaerunnisa Siti Hardiyanti Nurhasanah Yordayumike Tafuli

METABOLISME Intermediat Suhartati ... [et al.] ISBN 978-602-473-719-1 © 2021 Penerbit Airlangga University Press Anggota IKAPI dan APPTI Jawa Timur Kampus C Unair, Mulyorejo Surabaya 60115 E-mail: [email protected] Bekerja sama dengan Direktorat Inovasi dan Pengembangan Pendidikan UNAIR Kampus C Unair, Gedung Kahuripan Lt. 2, Ruang 203, Mulyorejo Surabaya 60115 Telp. (031) 5920424 Fax. (031) 5920532 E-mail: [email protected] Layout (Djaiful) AUP (1076/05.21) Hak Cipta dilindungi oleh undang-undang. Dilarang mengutip dan/atau memperbanyak tanpa izin tertulis dari Penerbit sebagian atau seluruhnya dalam bentuk apa pun.

DAFTAR KONTRIBUTOR Prof. Dr. SUHARTATI, dr., M.S. DEPARTEMEN BIOKIMIA KEDOKTERAN Fakultas Kedokteran, Universitas Wijaya Kusuma Surabaya, Surabaya Dr. SITI KHAERUNNISA, M.Si. DEPARTEMEN FAAL DAN BIOKIMIA KEDOKTERAN Fakultas Kedokteran, Universitas Airlangga, Surabaya SITI HARDIYANTI NURHASANAH, drg. DEPARTEMEN FAAL Fakultas Kedokteran Gigi, Universitas Hang Tuah, Surabaya YORDAYUMIKE TAFULI, S.Kep., M.Si PROGRAM STUDI ILMU KEPERAWATAN STIKES Nusantara Kupang, Kupang, NTT v

PRAKATA Dengan mengucapkan puji syukur atas ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa karena limpahan kemudahan dan kemurahan-Nya, penulis dapat menyelesaikan satu buku ajar tentang Metabolisme Intermediat, sebagai dasar untuk mempelajari mata kuliah Ilmu Biokimia dengan topik metabolisme secara umum yang terjadi di dalam sel organisme.. Metabolisme adalah rangkaian reaksi kimia yang terjadi di dalam sel makhluk hidup. Secara umum, metabolisme yang kita kenal ada dua macam, yaitu katabolisme dan anabolisme. Metabolisme berasal dari bahasa Yunani, metabole yang berarti berubah sehingga katabolisme dapat didefinisikan sebagai perubahan menjadi senyawa yang lebih sederhana (degradasi) dan anabolisme berarti berubah menjadi yang lebih kompleks (sintesis). Metabolisme intermediat, adalah jalur pusat metabolik yang menyajikan jalur katabolisme dan atau anabolisme yang menyediakan interkonversi metabolit-metabolit penting, yaitu bahan bakar cadangan pada saat tubuh kekurangan bahan bakar utama. Pada saat tubuh mengalami kekurangan bahan bakar maka tubuh akan berusaha mengganti kebutuhan dengan bahan bakar cadangan. Metabolisme intermediat merupakan bagian dari Ilmu Biokimia yang merupakan ilmu kedokteran dasar dan wajib dipahami mahasiswa. Metabolik zat antara adalah molekul yang merupakan prekursor atau metabolit molekul biologis. Metabolik zat antara digunakan untuk mendapatkan energi melalui konversi katabolisme lebih lanjut atau vii

dibangun kembali menjadi molekul yang lebih kompleks yang dikenal dengan jalur anabolisme. Akhir kata, “Tiada gading yang tak retak”. Penulis merasa tulisan ini masih jauh dari kesempurnaan. Oleh karena itu, kami sangat mengharapkan, kritik dan saran yang membangun dari pembaca agar penulis bisa menjadi lebih baik untuk ke depannya. Surabaya, Maret 2021 Penulis viii METABOLISME Intermediat

DAFTAR ISI Daftar Kontributor .................................................................................... v Prakata ...................................................................................................... vii BAB 1 RANTAI TRANSPORT ELEKTRON DAN FOSFORILASI 1 OKSIDATIF......................................................................... 1 Definisi Metabolisme Intermediat........................................... 3 Bahan Bakar Metabolik (Metabolic Fuels) ................................ 3 Nilai Kalori dari Bahan Bakar Metabolik............................... 4 Penyimpanan Bahan Bakar Metabolik ................................... 4 Pemanfaatan Bahan Bakar Metabolik..................................... 5 Produk Limbah Metabolik ....................................................... 5 Penyimpanan Energi ................................................................. 6 Jalur Metabolisme ...................................................................... BAB 2 PRINSIP DASAR REGULASI METABOLIK...................... 9 Regulasi Jalur Metabolik .......................................................... 10 Kontrol Alosterik dari Jalur Metabolik ............................ 10 Regulasi Hormonal pada Jalur Metabolik ...................... 12 BAB 3 ALUR SUBSTRAT METABOLIK KUNCI ANTARA JALUR YANG BERBEDA .................................................. 15 BAB 4 METABOLISME JARINGAN KHUSUS DAN 19 KETERKAITAN ORGAN.................................................... 20 Hati (Liver) .................................................................................. 20 Otot Rangka ............................................................................... 21 Otot Jantung .............................................................................. ix

Jaringan Adiposa ....................................................................... 21 Jaringan Otak ............................................................................. 21 BAB 5 JALUR METABOLIK GLIKOLISIS PADA 25 METABOLISME INTERMEDIAT........................................ 25 Glikolisis...................................................................................... 26 Tahapan Glikolisis............................................................... 29 Regulasi Glikolisis............................................................... 35 35 Oksidasi Piruvat......................................................................... 36 Oksidasi Piruvat .................................................................. 38 Tahapan Oksidasi Piruvat .................................................. 40 Regulasi Oksidasi Piruvat .................................................. Siklus Cori atau Siklus Laktat .................................................. BAB 6 RANTAI TRANSPOR ELEKTRON DAN FOSFORILASI 43 OKSIDATIF......................................................................... 44 Rantai Transport Elektron (ETC) ............................................. 44 Sumber Elektron Untuk Rantai Transpor Elektron........ 45 Koenzim Terkait dengan Dehidrogenase ....................... 45 Lokasi dari Rantai Transpor Elektron .............................. 47 Tahapan Transpor Elektron .............................................. 50 Inhibitor dari Rantai Transpor Elektron .......................... 51 Fosforilasi Oksidatif................................................................... BAB 7 TRICARBOXYLIC ACID CYCLE (SIKLUS TCA) ................ 59 Fungsi Siklus TCA ..................................................................... 59 Tahapan Siklus TCA.................................................................. 60 Regulasi Siklus TCA.................................................................. 65 65 Sintesis Sitrat ........................................................................ 66 Dekarboksilasi Oksatif dari Isositrat ............................... 66 Dekarboksilasi Oksidatif dari α-ketoglutarat.................. BAB 8 GLUKONEOGENESIS ....................................................... 69 Jalur Glukoneogenesis............................................................... 69 Substrat untuk Glukoneogenesis............................................. 72 Regulasi Glukoneogenesis........................................................ 73 x METABOLISME Intermediat

BAB 9 METABOLISME GLIKOGEN................................................... 79 Sintesis Glikogen (Glikogenesis) ...................................................80 Degradasi Glikogen (Glikogenolisis) ............................................84 Regulasi Metabolisme Glikogen ....................................................87 Pengaturan Kegiatan Glikogen Fosforilase ...........................88 Pengaturan Enzim oleh Glikogen Sintase..............................90 Pengaturan Hormonal Metabolisme Glikogen .....................91 BAB 10 PENTOSA PHOSPHATE PATHWAY (JALUR PENTOSA FOSFAT) ................................................. 97 Reaksi Jalur Pentosa Fosfat.............................................................98 Fase Oksidatif ............................................................................98 Fase Non-oksidatif ..................................................................100 Regulasi Jalur Pentosa Fosfat .......................................................102 Fungsi Jalur Pentosa Fosfat ..........................................................102 BAB 11 METABOLISME ASAM LEMAK ........................................... 107 Oksidasi -Asam Lemak...............................................................107 Tahapan Jalur Reaksi ..............................................................108 Pengaturan β-oksidasi ............................................................113 Sintesis Asam Lemak (de-novo) ....................................................113 Tahap Jalur Reaksi...................................................................114 Reaksi Biosintesis Asam Lemak ............................................117 Pemanjangan Rantai Asam Lemak Terjadi di Retikulum Endoplasma..........................................................118 Pengaturan Biosintesis Asam Lemak..........................................121 Perbandingan Sintesis Asam Lemak dan Oksidasi-β...............123 BAB 12 SIKLUS UREA ....................................................................... 127 Tahapan Reaksi Siklus Urea.........................................................127 Regulasi Siklus Urea......................................................................130 DAFTAR PUSTAKA ............................................................................ 133 METABOLISME Intermediat xi

BAB 1 RANTAI TRANSPORT ELEKTRON DAN FOSFORILASI OKSIDATIF TUJUAN PEMBELAJARAN Setelah mempelajari bab pendahuluan diharapkan mahasiswa dapat menjelaskan sebagai berikut. 1. Definisi metabolisme intermediat 2. Bahan bakar metabolik. 3. Nilai kalori dari bahan bakar metabolik. 4. Penyimpanan bahan bakar metabolik. 5. Pemanfaatan bahan bakar metabolik. 6. Produk limbah metabolik. 7. Penyimpanan energi. 8. Jalur metabolisme DEFINISI METABOLISME INTERMEDIAT Metabolisme adalah rangkaian reaksi kimia yang terkait di dalam sel. Reaktan, produk, dan zat antara reaksi enzimatik dikenal sebagai metabolit, yang dimodifikasi oleh urutan reaksi kimia yang dikatalisis oleh enzim (Gambar 1.1). Sejumlah jalur metabolisme secara umum terjadi dalam sel dan organisme. Jalur metabolisme ini berfungsi untuk sintesis, degradasi, dan interkonversi metabolit penting dan juga untuk konservasi energi yang disebut sebagai metabolisme intermediat atau juga disebut metabolisme antara (intermediary metabolism). Definisi medis dari metabolisme antara adalah proses intraselular di mana bahan gizi diubah menjadi komponen seluler. Metabolik zat antara adalah molekul yang merupakan prekursor atau metabolit molekul biologis. Meskipun zat antara ini memiliki kepentingan seluler yang relatif kecil, fungsi ini dapat memainkan peran penting dalam regulasi enzim alosterik. 1

Gambar 1.1 Regulasi jalur katabolik melalui umpan balik atau penghambatan produk akhir, oleh enzim E1 (enzim alosterik) Keterangan: A : substrat B,C,D,E : senyawa antara P : produk E : enzim : reaksi berjalan searah : reaksi berjalan bolak-balik : reaksi umpan balik Semua sel agar dapat bertahan hidup terus membutuhkan nutrisi organik dan anorganik untuk menghasilkan energi kimiawi terutama dari Adenosin Tri Fosfat (ATP) dan turunannya. Bergantung pada proses jalannya reaksi kimia di mana kebutuhan ini terpenuhi, Organisme dapat dikelompokkan menjadi autotrofik dan heterotrofik. Autotrofik meliputi tanaman dan banyak mikroorganisme, bisa mensintesis molekulorganik dari anorganik prekursor (CO2). Gaya hidup autotrofik melalui fotosintesis, sedangkan heterotrofik, sebagai contoh adalah hewan dan jamur, bergantung pada zat organik yang tersedia dalam makanan. Bahan polimer yang terkandung di dalam diet (karbohidrat, protein, lemak, dan asam nukleat) tidak dapat digunakan oleh organisme secara langsung. Proses pencernaan diawali dengan mencerna polimer yang berasal dari diet menjadi monomer (gula, asam amino, asam lemak, dan nukleotida). Selanjutnya, sebagian besar dipecah melalui jalur katabolik menjadi fragmen yang lebih kecil, yang dikenal dengan metabolik zat antara. Metabolik zat antara adalah molekul yang merupakan prekursor atau molekul metabolik. Metabolik zat antara digunakan untuk mendapatkan energi melalui konversi katabolik lebih lanjut atau dibangun kembali menjadi molekul yang lebih kompleks yang dikenal dengan jalur anabolik. Jadi, ada dua tipe metabolisme, yaitu anabolisme dan katabolisme. (Gambar 1.2). 2 METABOLISME Intermediat

Gambar 1.2 Proses katabolisme, proses metabolisme antara, dan proses anabolisme (www.medschool.Isuhsc.edu) Keterkaitan metabolisme antara dapat dipertimbangkan sebagai berikut. 1. Aliran metabolit kunci antara jalur metabolisme yang berbeda pada tingkat sel. 2. Interdependensi berbagai organ dan jaringan dalam mempertahankan keadaan metabolik yang sesuai untuk tubuh secara keseluruhan. BAHAN BAKAR METABOLIK (METABOLIC FUELS) 1. Definisi bahan bakar a. Bahan bakar metabolik adalah zat yang digunakan oleh tubuh sebagai sumber karbon teroksidasi melepaskan energi bebas, yang digunakan untuk mendukung proses anabolik dan fungsi seluler lainnya. b. Molekul yang digunakan sebagai bahan bakar metabolik utama adalah karbohidrat, lemak sebagai asam lemak, serta badan keton dan protein sebagai asam amino. NILAI KALORI DARI BAHAN BAKAR METABOLIK 1. Jika zat organik direaksikan dengan molekul oksigen dalam kalorimeter bom dan semua karbon diubah menjadi karbon dioksida (CO2), panas yang berevolusi adalah ukuran dari energi bebas potensial tersedia dalam zat ini. 2. Nilai kalori dari bahan bakar metabolik utama dinyatakan dalam bentuk kilokalori (kkal) per gram sebagai berikut. Bab 1_ Pendahuluan 3

a. Karbohidrat : 4 kkal/gram b. Protein : 4 kkal/gram c. Benda keton : 4 kkal/gram d. Lemak : 9 kkal/gram PENYIMPANAN BAHAN BAKAR METABOLIK 1. Glukosa dalam sirkulasi darah adalah bahan bakar metabolik utama, dan sejumlah mekanisme digunakan untuk menjaga kadar glukosa darah. 2. Karbohidrat disimpan terutama sebagai glikogen dalam hati dan otot rangka dan dalam jumlah kecil di jaringan lainnya. 3. Hanya sel-sel yang mengandung glukosa 6-fosfat (hati, ginjal, dan usus halus) dapat menggunakan glikogen untuk mensintesis glukosa dan mengatur kadar glukosa darah. 4. Triasilgliserol (Trigliserida/TG) membentuk sumber glukosa potensial, karena bagian gliserol hasil hidrolisis triasilgliserol dapat diubah menjadi glukosa dalam jaringan melalui jalur glukoneogenesis. Triasilgliserol juga merupakan sumber asam lemak. 5. Katabolisme asam amino glukogenik dapat memberikan glukosa (100 gram protein menghasilkan 60 gram glukosa). Dengan demikian, protein tubuh bisa sebagai sumber bahan bakar. PEMANFAATAN BAHAN BAKAR METABOLIK Fenomena Makan-Puasa 1. Kebanyakan orang menjalani puasa paling tidak 6–8 jam dalam sehari. Setiap pertimbangan metabolisme dan penggunaan bahan bakar metabolik harus memperhitungkan fenomena pemberian makanan ini. 2. Saat makan dan segera setelah itu, bahan bakar metabolik yang digunakan berasal dari molekul makanan yang dicerna dan diserap. 3. Selama puasa, bahan bakar metabolik yang digunakan oleh jaringan berasal dari bahan bakar yang dimobilisasi. 4 METABOLISME Intermediat

4. Fenomena pemberian makanan dan status puasa dapat didefinisikan sebagai berikut. Status makan (postprandial) terjadi tepat setelah makan, dan substrat darah atau plasma masih tinggi. a. Status puasa (postabsorptif) terjadi beberapa jam setelah makan. b. Kelaparan terjadi setelah 2 atau 3 hari tanpa makanan. PRODUK LIMBAH METABOLIK 1. Ekskresi nitrogen Produk ekskresi utama dari metabolisme nitrogen adalah amonia. Namun nitrogen juga diekskresikan dalam bentuk asam amino. 2. Ekskresi karbon Produk limbah hewan dari degradasi zat organik dalam metabolisme termasuk karbon dioksida (CO2), air (H2O), dan amonia (NH3). Amonia (NH3) senyawa beracun melalui siklus urea diubah menjadi senyawa yang tidak beracun dan mudah larut dalam air, yaitu urea. Selanjutnya, diekskresi melalui ginjal. PENYIMPANAN ENERGI Bentuk penyimpanan energi kimia di semua sel adalah ATP. Sintesis ATP membutuhkan energi yang reaksinya bersifat endergonik. Sebaliknya, pemecahan ATP ke ADP dan fosfat melepaskan energi bersifat eksergonik. Baik eksergonik dan endegornik saling berkaitan satu sama lain sebagai hasil energi kopling sehingga proses endergonik bisa terjadi. Misalnya, jalur anabolik, gerakan, dan proses transportasi bergantung pada energi. Jalur terpenting untuk sintesis ATP adalah fosforilasi oksidatif, yang merupakan jalur katabolik yang membentuk kofaktor (NADH, H+, QH2, ETFH2). Selanjutnya, elektron ditransfer dari senyawa ini menjadi oksigen. Proses ini adalah eksergonik yang dikatalisis oleh rantai pernapasan dan digunakan secara tidak langsung untuk sintesis ATP. Pada jalur fosforilasi oksidatif dalam kondisi anaerobik dengan tidak adanya oksigen jalur tersebut tidak terjadi, sehingga pada jalur glikolisis hasil ATP kurang efektif. Sebagai contoh adalah proses fermentasi. Bab 1_ Pendahuluan 5

JALUR METABOLISME Senyawa-senyawa metabolit pada metabolisme antara ini yang utama adalah piruvat, asetil-KoA, dan gliserol. Molekul ini merupakan penghubung antara metabolisme karbohidrat, protein, dan lemak. Sumber metabolit juga termasuk senyawa antara dari siklus asam sitrat. Jalur siklik asam sitrat ini memiliki fungsi katabolik serta anabolik dan senyawa antaranya yang dikenal dengan senyawa amfibiolik. Pada manusia, jalur metabolisme yang paling penting sebagai berikut. 1. Glikolisis-oksidasi glukosa untuk mendapatkan ATP. 2. Siklus Asam Sitrat (TCA cycle) atau dikenal dengan siklus Krebs- oksidasi asetil-KoA untuk mendapatkan GTP dan senyawa antara (intermediat) yang berharga. 3. Fosforilasi Oksidatif pelepasan elektron yang dilepaskan oleh glikolisis dan siklus asam sitrat. 4. Jalur Pentosa Fosfat sintesis gula pentosa. 5. Siklus Urea yang berfungsi mengeluarkan senyawa NH4 yang bersifat toksis. 6. Beta Oksidasi lemak memecah asam lemak menjadi asetil KoA. 7. Glukoneogenesis pembentukan glukosa dari bahan nonkarbohidrat, yang diperlukan oleh otak. RANGKUMAN Definisi medis dari metabolisme perantara adalah proses intraselular di mana bahan gizi diubah menjadi komponen seluler. Untuk mendalami metabolisme antara, perlu pengertian: bahan bakar metabolik (metabolic fuels), nilai kalori dari bahan bakar metabolik, penyimpanan bahan bakar metabolik, pemanfaatan bahan bakar metabolik, produk limbah metabolik, penyimpanan energi, dan jalur metabolisme. 6 METABOLISME Intermediat

LATIHAN SOAL 1. Apa yang dimaksud metabolisme intermediat? Jawaban Metabolisme intermediat/antara adalah metabolisme mencakup senyawa yang merupakan perantara dalam proses dan mekanisme pengaturan yang mempertahankan homeostasisnya. 2. Jalur metabolisme manakah di bawah ini yang menghasilkan ribosa 5-fosfat? A. Glikolisis B. Siklus asam sitrat C. Fosforilasi oksidatif D. Pentosa fosfat E. Beta oksidasi lemak. Jawaban D Jalur pentosa fosfat adalah jalur yang terbagi 2 tahap, yaitu, tahap oksidatif menghasilkan NADPH dan jalur nonoksidatif yang menghasilkan gula pentosa yaitu ribosa 5-fosfat. Bab 1_ Pendahuluan 7

BAB 2 PRINSIP DASAR REGULASI METABOLIK TUJUAN PEMBELAJARAN Setelah mempelajari prinsip dasar regulasi metabolik diharapkan mahasiswa dapat menjelaskan tentang regulasi jalur anabolik. Status gizi dan hormonal terjalin dalam metabolisme antara asupan makanan untuk meningkatkan tingkat hormon insulin yang disintesis dan disekresikan dari sel beta pulau pankreas terutama direspons terhadap glukosa. Namun, asam lemak dan beberapa asam amino bisa mempotensi respons sekresi, seperti juga hormon usus tertentu misal Glucagon-Like Peptide-1 (GLP-1). Insulin pengatur utama metabolisme karbohidrat seluruh tubuh. Peningkatan konsentrasinya mengaktifkan serapan glukosa pada sel otot dan lemak, menghambat jalur glukoneogenesis dan pengambilan glukosa oleh hati, dan merangsang jalur glikogenesis. Selain itu, insulin merangsang triasilgliserol serta menghambat lipolisis dan dengan efek serupa pada sintesis protein dan degradasi. Sejumlah hormon counter regulator, yakni insulin, termasuk hormon glukagon, sebagai tanggapan pada kadar glukosa darah rendah. Hormon tersebut akan meningkatkan pemecahan glikogen hepatik dan glukoneogenesis, lipolisis jaringan adiposa, hormon katekolamin, dan epinefrin (adrenalin), yang disekresikan dari kelenjar adrenal sebagai respons terhadap berbagai rangsangan dan mendorong glikogenolisis serta lipolisis. Pada penderita diabetes, kekurangan atau resistensi insulin akan mengakibatkan kadar glukosa darah menjadi tinggi, karena pengambilan glukosa terganggu, terutama ke glikogen otot dan glukosa hepar yang tidak terkendali. Juga terjadinya lipolisis berlebih mengakibatkan beredar kadar asam lemak dan pemecahan protein meningkat. Obesitas, yang sering kali 9

meski tidak selalu dikaitkan dengan peningkatan dalam sirkulasi asam lemak bebas serta sitokin inflamasi, diperkirakan berkontribusi untuk perkembangan diabetes akibat resistensi insulin, sehingga meningkatkan jumlah insulin yang diperlukan untuk homeostasis glukosa. REGULASI JALUR METABOLIK Regulasi metabolisme adalah pengaturan katalisis enzim dalam jalur metabolisme (Tabel 2.1). Ada berbagai macam peraturan, yaitu sebagai berikut: 1. Enzim dapat ditingkatkan atau dikurangi, dengan mengubah laju sintesisnya pada transkripsi, translasi, atau pascatranslasi, atau tingkat degradasinya. 2. Perubahan konsentrasi substrat (pada atau di bawah KM) dapat memengaruhi laju reaksi. 3. Enzim dapat diatur oleh metabolit, yaitu inhibitor atau aktivator yang mengikat katalitik atau situs alosterik atau, regulasinya. 4. Enzim dapat dihambat atau diaktifkan dengan modifikasi kovalen, terutama proses fosforilasi oleh protein kinase, beberapa di antaranya memediasi hormonal. Selain itu, penting juga jenis modifikasi kovalen lainnya, seperti asetilasi, asilasi, adenilasi (adenylation), dan metilasi. 5. Enzim dapat dihambat atau diaktifkan oleh interaksi protein-protein dengan regulator protein tertentu. 6. Aktivitas fungsional enzim dapat dipengaruhi oleh kompartemen dalam sel dan dikendalikan oleh translokasi dari satu area ke area yang lain. 7. Akhirnya, jaringan yang berbeda mungkin menunjukkan metabolisme jalur identik atau hampir identik, karena adanya enzim isozim. Kontrol Alosterik dari Jalur Metabolik Aktivitas enzim regulasi (kunci) dimodulasi oleh tingkat metabolit yang bertindak sebagai aktivator atau inhibitor, antara lain adalah glikolisis, glukoneogenesis, metabolisme glikogen, dan asam lemak terpadu (Tabel 2.1). 10 METABOLISME Intermediat

Tabel 2.1 Pengaturan jalur metabolik dengan inhibisi/aktivasi/ketersediaan substrat. Jalur Cara Regulasi Enzim Kunci Substrat yang: Kontrol respirasi a. Stimulasi A Siklus asam sitrat – b. Inhibisi Oksidasi asam – – lemak – B 1. Sintesis asam Asetil-KoA Sitrat/Palmitoil KoA Sitrat/F2 6BP, AMP lemak karboksilase 2. Glukoneogenesis Kontrol alosterik F1, 6BP 3. Glikolisis Fosfofruktokinase a. (PFK1). 1. Fruktosa 2,6- C 1. Glikogenesis Modifikasi bifosfat (F2, 6BP) 2. Glikogenolisis kovalen Glikogen sintase 2. Adenosin Glikogen monofosfat (AMP) D. Pentosa fosfat Substrat fosforilase 3. Adenosin difosfat Glukosa 6 (ADP) E HMP shunt – fosfatase b. Tersedia 1. Garam sitrat 2. Adenosin trifosfat (ATP) – – NADP+ Dehidrogenase (Sumber: Srivastava, 2004). Keterangan: AMP = adenosine monophosphate; ATP = adenosine triphosphate; CoA = coenzyme A; F1, 6BP = fructose 1,6-biphosphate; F2, 6BP = fructose 2,6-biphosphate; NADP+ = oxidized nicotinamide- adenine dinucleotide phosphate. 1. Glikolisis Enzim utama regulasi adalah: fosfofruktokinase (PFK1). a. Aktivator 1) Fruktosa 2,6-bifosfat (F2, 6BP) 2) Adenosin monofosfat (AMP) 3) Adenosin difosfat (ADP) Bab 2_ Prinsip Dasar Regulasi Metabolik 11

b. Inhibitor 1) Garam sitrat 2) Adenosin trifosfat (ATP) 2. Glukoneogenesis Enzim kunci. Fruktosa 1,6-bifosfatase (F1, 6BPase). a. Aktivator 1) Garam sitrat 2) ATP b. Inhibitor 1) F2, 6BP 2) AMP 3. Sintesis asam lemak a. Asetil KoA (CoA) karboksilase adalah enzim kunci. b. Aktivatornya adalah sitrat. c. Inhibitornya adalah palmitoil KoA. 4. Regulasi pernapasan Jalur pernapasan yang diatur dengan cara, sebagai berikut. a. Siklus asam sitrat. b. Sintesis asam lemak. c. Rantai transpor elektron dan fosforilasi oksidatif. 5. Modifikasi kovalen Hormon pada jalur metabolisme menghasilkan kaskade reaksi, yang menghasilkan modifikasi kovalen dari enzim kunci. a. Glikogenesis: Glikogen sintase adalah enzim kunci. b. Glikogenolisis: Glikogen fosforilase adalah enzim kunci. 6. Ketersediaan Substrat Substrat adalah faktor utama yang menentukan aliran metabolit melalui jalur berikut. a. Jalur pentosa fosfat (jalur hexose monophosphate). b. Siklus urea. Regulasi Hormonal Pada Jalur Metabolik 1. Berbagai hormon secara langsung dan/atau tidak langsung mengatur aliran metabolit melalui jalur tertentu (Tabel 2.2). 12 METABOLISME Intermediat

2. Regulasi jalur metabolisme mayor dilakukan oleh hormon. a. Insulin memberi sinyal pada kondisi makan dan ketersediaan glukosa dalam darah sebagai berikut. 1) Insulin menstimulasi sintesis glikogen, lemak, dan protein. 2) Insulin menghambat degradasi glikogen, lemak, dan protein. b. Glukagon dan epinefrin pada kondisi puasa dan ketersediaan kadar glukosa darah rendah sebagai berikut. 1) Glukagon dan epinefrin menghambat sintesis glikogen, lemak, dan protein. 2) Glukagon dan epinefrin menstimulasi degradasi glikogen, lemak, dan protein. Tabel 2.2 Regulasi Hormonal pada Jalur Metabolik. No Jalur Efek Insulin Efek Glukagon/Epinefrin 1 Sintesis kolesterol Stimulasi – 2 Oksidasi asam lemak Inhibisi – 3 Sintesis asam lemak Stimulasi – 4 Glukoneogenesis Inhibisi 5 Glikogenesis Stimulasi Stimulasi 6 Glikogenolisis Inhibisi Inhibisi 7 Glikolisis Stimulasi Stimulasi 8 Lipogenesis Stimulasi Inhibisi 9 Lipolisis Inhibisi Inhibisi 10 HMP shunt Stimulasi Stimulasi 11 Sintesis Protein Stimulasi 12 Proteolisis Inhibisi - - (Sumber: Srivastava, 2004). - RANGKUMAN 1. Regulasi metabolisme adalah pengaturan katalisis enzim dalam jalur metabolisme. 2. Aktivitas enzim regulasi (kunci) dimodulasi oleh tingkat metabolit yang bertindak sebagai aktivator atau inhibitor, antara lain adalah glikolisis, glukoneogenesis, metabolisme glikogen, dan asam lemak terpadu. Bab 2_ Prinsip Dasar Regulasi Metabolik 13

3. Berbagai hormon secara langsung dan/atau tidak langsung mengatur aliran metabolit melalui jalur tertentu. Regulasi jalur metabolisme mayor dilakukan oleh hormon insulin dan glukagon. LATIHAN SOAL 1. Bagaimana regulasi metabolisme pada penderita diabetes? Jawaban: Pada penderita diabetes, kekurangan atau resistensi insulin akan mengakibatkan kadar glukosa darah tinggi, karena pengambilan glukosa terganggu, terutama ke glikogen otot dan glukosa hepar yang tidak terkendali. Juga terjadinya lipolisis berlebih mengakibatkan beredar kadar asam lemak dan pemecahan protein meningkat. Obesitas, yang sering kali meski tidak selalu dikaitkan dengan peningkatan dalam sirkulasi asam lemak bebas serta sitokin inflamasi diperkirakan berkontribusi untuk perkembangan diabetes akibat resistensi insulin, sehingga meningkat jumlah insulin yang diperlukan untuk homeostasis glukosa. 2. Hormon di bawah ini mana mengatur jalur HMP? A. Glukagon B. Epinefrin C. Insulin D. Kortisol E. Sex Jawaban C Jalur HMP distimuli oleh hormon insulin sedang hormon glukagon maupun epinefrin tidak memberi pengaruh. 14 METABOLISME Intermediat

BAB 3 ALUR SUBSTRAT METABOLIK KUNCI ANTARA JALUR YANG BERBEDA TUJUAN PEMBELAJARAN Setelah mempelajari alur substrat metabolik kunci antara jalur yang berbeda diharapkan mahasiswa dapat menjelaskan, metabolik tertentu dapat digunakan sebagai zat antara dalam proses yang berbeda. Metabolit tertentu dapat digunakan sebagai zat antara dalam proses yang berbeda. Kontrol dari arah aliran intermediat ini merupakan faktor signifikan dalam integrasi metabolisme pada tingkat sel. 1. Glukosa 6-fosfat dapat dikonversi menjadi sebagai berikut. a. Glukosa pada jaringan glukoneogenik. b. Glukosa 1-fosfat yang digunakan dalam sintesis glikogen. c. Piruvat melalui glikolisis. d. Ribosa 5-fosfat, substrat untuk sintesis asam nukleat melalui jalur fosfat pentosa. 2. Piruvat dapat dikonversi menjadi sebagai berikut. a. Oksaloasetat dan dimetabolisme melalui siklus TCA. b. Asetil KoA dengan piruvat dehidrogenase. c. Alanin melalui transaminasi. d. Laktat dalam jaringan otot. 3. Asetil KoA mungkin mengalami tindakan sebagai berikut. a. Dioksidasi menjadi CO2 melalui siklus TCA. b. Digunakan dalam sintesis asam lemak. c. Dikonversi menjadi 3-hidroksi-3-metil-glutaril KoA (HMG CoA) yang merupakan awal sintesis dari, 1) kolesterol dan 2) badan keton. d. Dikonversi menjadi kolesterol yang bisa mensintesis steroid. 15

Gambar 3.1 Interaksi jalur metabolisme. (Srivastava) 16 METABOLISME Intermediat

Interaksi jalur: jalur oksidatif utama juga dapat bertindak sebagai rute yang menghubungkan jalur lainnya. Siklus TCA (Tricarboxylic Acid Cycle) menghubungkan metabolisme karbohidrat dan lemak dan terlibat dalam metabolisme asam amino. Ini memberikan titik kontrol penting untuk mengatur aliran metabolit jalur ini. Enzim dari jalur glikolitik menghubungkan metabolisme glukosa dan karbohidrat lainnya dengan metabolisme lemak dan asam amino. RANGKUMAN Metabolit tertentu (glukosa 6-P, dan asetil KoA) dapat digunakan sebagai zat antara dalam proses yang berbeda. Kontrol dari arah aliran intermediat ini merupakan faktor signifikan dalam integrasi metabolisme pada tingkat sel. LATIHAN SOAL Siklus asam sitrat menghubungkan metabolisme karbohidrat dan lemak dan terlibat dalam metabolisme asam amino, jadi yang merupakan interaksi jalur. Senyawa antara apa saja yang terlibat dalam siklus tersebut? Jawaban Pada jalur siklus asam sitrat merupakan jalur anabolik, yaitu berperan pada proses anabolik dan katabolik. Hampir semua senyawa-senyawa, dalam siklus asam sitrat adalah senyawa antara (amfibolik) antara lain isositrat, malat, oksaloasetat, dan, suksinat. Bab 3_ Alur Substrat Metabolik Kunci antara Jalur yang Berbeda 17

BAB 4 METABOLISME JARINGAN KHUSUS DAN KETERKAITAN ORGAN TUJUAN PEMBELAJARAN Setelah mempelajari metabolisme jaringan khusus dan keterkaitan organ diharapkan mahasiswa dapat menjelaskan: keterkaitan jalur metabolik dengan organ (hati, otot rangka, otot jantung, jaringan adiposa, dan jaringan otak). Semua jalur metabolik tidak menetap di semua sel dan jaringan dan distribusinya bervariasi di antara jaringan utama. Jenis bahan bakar yang dimetabolisme dan disimpan juga bervariasi tergantung pada jaringan (Gambar 4.1). Selain itu, profil metabolik dari jaringan utama bervariasi tergantung pada keadaan metabolik tubuh (Tabel 4.1). Pemahaman tentang keterkaitan jalur metabolik dan hubungan organ akan sangat membantu dalam mengembangkan pendekatan rasional untuk pengobatan penyakit. Setiap kali seseorang menemukan kelainan dalam metabolisme. Gambar 4.1 Hubungan antar metabolisme antara organ utama atau jaringan tubuh (Srivastava, 2004). 19

HATI (LIVER) Kebanyakan metabolit dengan berat molekul rendah dalam darah setelah mengalami pencernaan di usus dan dibawa ke hati melalui vena portal. Fungsi hati memainkan peran sentral dalam metabolisme dalam mengatur kadar glukosa darah dan bahan bakar metabolik lainnya. Peran utama hati meliputi sebagai berikut. 1. Hati bertanggung jawab mengatur kadar glukosa darah. a. Selama masa makan, hati mengambil kelebihan glukosa dan menyimpannya sebagai glikogen atau mengubahnya menjadi asam lemak. b. Selama masa puasa, glikogenolisis dan glukoneogenesis oleh hati adalah sumber utama glukosa tubuh. 2. Hati berfungsi sebagai situs utama sintesis asam lemak. 3. Hati mensintesis benda keton selama kelaparan. 4. Hati mensintesis lipoprotein plasma. OTOT RANGKA Otot rangka adalah substrat utama bahan bakar dan oksigen metabolik, karena massanya yang besar dibandingkan dengan jaringan lain. Peran utamanya sebagai berikut. a. Otot rangka tempat penyimpanan glikogen selain hati, yang menyediakan sumber glukosa untuk energi selama pengeluaran tenaga. b. Pada waktu istirahat, otot beristirahat. Bahan bakar yang disukai adalah asam lemak. c. Protein yang terkandung dalam otot dapat dimobilisasi sebagai sumber bahan bakar, jika tidak ada bahan bakar lain tersedia. d. Piruvat, dan produk glikolisis, dalam otot rangka dapat dikonversi menjadi salah satu asam laktat atau alanin dan dibawa ke hati, untuk meregenerasi glukosa melalui jalur gluconeogenesis (siklus Cori dan siklus Alanin) (Gambar 4.1). 20 METABOLISME Intermediat

Gambar 4.2 Siklus Cori (Srivastava dalam Baquer, 2007). OTOT JANTUNG Otot jantung berbeda dari otot rangka sebagai berikut. 1. Beban kerja otot jantung jauh lebih bervariasi daripada otot rangka. 2. Otot jantung adalah jaringan yang sepenuhnya aerobik, sedangkan otot skeletal terbatas kapasitas untuk berfungsi secara anaerobik. 3. Otot jantung pada dasarnya tidak memiliki cadangan bahan bakar dan harus terus dipasok bahan bakar dari darah. JARINGAN ADIPOSA Fungsi utama dari jaringan adiposa adalah penyimpanan bahan bakar metabolik dalam bentuk Trigliserida (TG). Peran utamanya sebagai berikut. 1. Selama masa makan, jaringan adiposa mensintesis TG dari glukosa dan asam lemak, yang disintesis di hati dan diekspor sebagai lipoprotein. 2. Selama masa puasa, TG dikonversi menjadi gliserol dan asam lemak dibawa ke hati dan jaringan lain. JARINGAN OTAK Jaringan otak, biasanya menggunakan glukosa sebagai bahan bakar eksklusif, kecuali selama kelaparan, dapat beradaptasi untuk menggunakan Bab 4_ Metabolisme Jaringan Khusus dan Keterkaitan Organ 21

badan keton sebagai sumber energi. Otak pada dasarnya tidak memiliki cadangan bahan bakar dan harus terus dipasok dengan bahan bakar darah. Tabel 4.1 Profil Metabolisme Jaringan Utama. No Jaringan Tahap Bahan bakar Bahan Bakar Penyimpanan 1 Hati Metabolisme Imported Exported Bahan Bakar 2 Otot Makan/feed Glukosa Asam lemak Glikogen Glukosa – 3 Adiposit Puasa/fasting Asam lemak – Benda keton Kelaparan/starvation Asam amino Laktat Glikogen – Makan/feed Glukosa Asam amino – – – Puasa/fasting Asam lemak – Asam lemak, Kelaparan/starvation Asam lemak gliserol – Makan/feed Asam lemak Puasa/fasting Asam lemak, – – gliserol – – – Kelaparan/starvation – – – – – 4 Jantung Makan/feed Asam lemak – – – Puasa/fasting Asam lemak – Kelaparan/starvation Keton 5 Otak Makan/feed Glukosa Puasa/fasting Glukosa Kelaparan/starvation Benda keton (Sumber: Srivastava, 2004). RANGKUMAN 1. Semua jalur metabolik tidak menetap di semua sel dan jaringan, serta distribusinya bervariasi di antara jaringan utama (hati, otot rangka, otot jantung, jaringan adiposa, dan jaringan otak). 2. Profil metabolik dari jaringan utama bervariasi tergantung pada keadaan metabolik tubuh (makan, puasa, dan kelaparan). 22 METABOLISME Intermediat

LATIHAN SOAL 1. Bagaimana tubuh mendapatkan pasokan glukosa pada saat kelaparan (starvation)? Jawaban Ketika pasokan glukosa tidak ada, tubuh meregenerasi glukosa melalui jalur glukoneogenesis (siklus Cori dan siklus Alanin). 2. Subjek normal berpuasa dalam semalam. Pagi hari konsentrasi glukosa serum berada dalam range normal. Manakah dari berikut ini yang terbaik penjelasan untuk hasil ini? A. Glukoneogenesis hati sebagai respons terhadap insulin. B. Glukoneogenesis hati sebagai respons terhadap glukagon. C. Ketogenesis hati sebagai respons terhadap glukagon. D. Glikogenolisis otot sebagai respons terhadap glukagon. E. Ketogenesis otot sebagai respons terhadap insulin. Jawaban B Ketika kadar glukosa darah turun selama periode semalam, pankreas keluar glukagon. Glukagon mengikat reseptor pada hepatosit dan memicu serangkaian perubahan metabolisme itu alihkan metabolisme hati ke sintesis glukosa glukoneogenesis. Bab 4_ Metabolisme Jaringan Khusus dan Keterkaitan Organ 23

BAB 5 JALUR METABOLIK GLIKOLISIS PADA METABOLISME INTERMEDIAT TUJUAN PEMBELAJARAN Setelah mempelajari metabolisme glikolisis diharapkan mahasiswa dapat menjelaskan jalur keseluruhan dalam glikolisis, yaitu: 1. Perubahan glukosa 6-karbon diubah menjadi 3-karbon gliseraldehida-3-fosfat; 2. Perubahan gliseraldehida-3-fosfat diubah menjadi piruvat; 3. Proses piruvat dimetabolisme secara anaerob; dan 4. Jumlah energi yang dapat dihasilkan oleh glikolisis. GLIKOLISIS Jalur Embden–Meyerhof atau glikolisis merupakan jalur katabolik utama untuk metabolisme karbohidrat yaitu, glukosa yang terjadi di sitosol sel. Proses ini dapat berfungsi baik secara aerobik atau anaerobik, tergantung pada ketersediaan oksigen dan rantai transpor elektron. Kemampuan glikolisis untuk menyediakan ATP tanpa adanya oksigen sangat penting karena ini memungkinkan otot rangka untuk bekerja pada tingkat kerja yang sangat tinggi. Ketika suplai oksigen tidak mencukupi dan ini memungkinkan jaringan untuk bertahan dari episode anaerobik (Gambar 5.1). Dalam kondisi aerobik, piruvat memasuki matriks mitokondria dan teroksidasi menjadi asetil KoA, yang merupakan bahan bakar metabolik utama untuk siklus TCA. Oksidasi lebih lanjut, asetil KoA dalam siklus TCA melepaskan energi bebas yang digunakan untuk menghasilkan molekul ATP. Proses ini terjadi di semua jaringan, kecuali yang kekurangan mitokondria (misalnya eritrosit, leukosit) dan otot yang berolahraga. Dalam kondisi anaerobik, piruvat berkurang dalam sitosol karena laktat dehidrogenase dengan bantuan NADH membentuk laktat. Persamaan dari kedua reaksi tersebut dapat ditulis sebagai berikut. 25

Gambar 5.1 Reaksi kimia glikolisis aerobik dan anaerob. Tahapan Glikolisis Glikolisis dapat dibagi menjadi dua tahap utama. Tahap I, yang terdiri atas reaksi pertama adalah tahap endergonik (membutuhkan energi) di mana molekul glukosa diaktifkan melalui pengeluaran molekul ATP. Dengan demikian, tahap ini melibatkan investasi energi. Tahap II mengarah pada penghasilan energi dan karenanya disebut sebagai “pay-off stage”. Tahapan tersebut sebagai berikut. 1. Tahap I Fase investasi a. Reaksi 1. Fosforilasi dari glukosa Glukosa difosforilasi pada karbon keenam (C6) untuk membentuk glukosa 6-fosfat dengan tujuan agar glukosa tidak bisa berdifusi keluar dari sel. Kelompok fosfat diperoleh dari ATP yang diubah menjadi ADP, yang berarti ada energi hilang dalam proses ini. Enzim yang terlibat dalam reaksi ini adalah kinase (enzim yang mengkatalisis fosforilasi dan menggunakan ATP sebagai sumber fosfatnya disebut kinase). Ada dua kemungkinan enzim untuk reaksi ini tergantung pada jaringannya sebagai berikut. 1) Heksokinase Heksokinase (ditemukan di otot dan lemak) yang akan mengkatalisis fosforilasi sebagian besar heksosa termasuk glukosa. Reaksi heksokinase tidak spesifik untuk glikolisis karena hanya membantu glukosa untuk metabolisme intraselular karena glukosa 6-fosfat tidak diangkut melintasi membran plasma. 26 METABOLISME Intermediat

2) Glukokinase Glukokinase (ditemukan di hati) spesifik untuk glukosa. Molekul glukosa dengan cepat terfosforilasi oleh glukokinase di dalam hepatosit. Sejumlah besar dihasilkan glukosa 6-fosfat yang disalurkan ke jalur sintesis glikogen, yaitu glikogenesis. b. Reaksi 2 Isomerase dari glukosa 6-fosfat Glukosa 6-fosfat, gula aldosa, sekarang disiapkan untuk pembelahan berikutnya menjadi dua molekul 3-karbon. Membagi apa pun lebih mudah jika secara bilateral simetris. Glukosa 6-fosfat, tidak terlalu simetris sehingga dikonversi menjadi fruktosa 6-fosfat yang molekulnya lebih simetris. Ini adalah reaksi reversibel bebas yang dikatalisis oleh isomerase fosfoheksosa. c. Reaksi 3 Fosforilasi dari fruktosa 6-fosfat Fruktosa 6-fosfat terbentuk pada langkah sebelumnya telah dibuat lebih simetris dengan esterifikasi fosfat menjadi C-1. Proses ini menghasilkan fruktosa 1,6-bifosfat, sebuah molekul yang hampir simetris. Kelompok fosfat berasal dari ATP dan enzimnya adalah fosfofruktokinase (PFK1). Difosfat berbeda dari bifosfat, karena difosfat (misalnya ADP) letak fosfat bergabung satu sama lain, sedangkan bifosfat (misalnya fruktosa 1,6-bifosfat), gugus fosfat dilekatkan pada tempat berbeda pada gula. Reaksi ini tidak dapat diubah dan merupakan “langkah pembatas laju” untuk glikolisis. Ini juga merupakan langkah berkomitmen yang berarti bahwa sekali fruktosa 1,6-bifosfat terbentuk khusus untuk jalur glikolitik saja. Kegiatan enzim PFK1 dikendalikan oleh berbagai modulator regulasi positif dan negatif yang membuat langkah ini menjadi regulasi yang paling penting dari jalur tersebut. d. Reaksi 4 Pemecahan fruktosa 1,6-bifosfat Fruktosa 1,6-bifosfat, senyawa 6-karbon, dipecah oleh enzim aldolase menjadi dua triosa, yaitu gliseraldehida 3-fosfat (bentuk aldehida) dan dihidroksiaseton fosfat (bentuk aseton). Enzim ini, yang memisahkan aldosa, tidak spesifik untuk fruktosa 1,6- bifosfat. Bab 5_ Jalur Metabolik Glikolisis pada Metabolisme Intermediat 27

e. Reaksi 5 Isomerase dari dihidroksiaseton fosfat. Dari dua buah trias, hanya gliseraldehida 3-fosfat yang dapat dimetabolisme lebih lanjut melalui glikolitik. Fosfat dihroksiaseton harus diubah menjadi gliseraldehida 3-fosfat sehingga metabolisme lebih lanjut dapat dilakukan. Isomerisasi aldosa-ketosa ini dikatalisasi oleh enzim triosa fosfat isomerase. Perlu dipahami bahwa dua molekul gliseraldehida 3-fosfat dihasilkan dari molekul glukosa asli dan memasuki bagian jalur ini. Oleh karena itu, semua langkah berikut terjadi dua kali sekali untuk masing-masing dari dua molekul gliseraldehida 3-fosfat. 2. Tahap II Fase energi ”pay-off” Beberapa langkah berikutnya luar biasa karena mereka membawa oksidasi masing-masing dari tiga karbon gliseraldehida. Ada penambahan oksigen di C-1, hilangnya hidrogen pada C-2, dan hilangnya fosfat di C-3. Dalam langkah-langkah ini, sejumlah besar energi dibebaskan cukup untuk mengganti energi yang hilang 2 ATP, yaitu pada reaksi 1 dan reaksi 3. a. Reaksi 6 Dehidrogenasi dari gliseraldehida 3-fosfat Dehidrogenasi gliseraldehida 3-fosfat dikatalisis oleh enzim gliseraldehida dehidrogenase 3-fosfat menghasilkan pembentukan 1,3-bifosfogliserat. Ada dua aspek menarik dari reaksi ini sebagai berikut. 1) Pasangan atom hidrogen yang dilepaskan diganti oleh gugus fosfat. Hidrogen ini ditransfer ke NAD+ untuk membentuk NADH yang merupakan produk penting (oksidasi dalam rantai pernapasan adalah sumber ATP). 2) Gugus fosfat yang ditambahkan ke molekul 3-fosfat gliseraldehida adalah fosfat anorganik. b. Reaksi 7 Produksi ATP dari 1,3-bifosfogliserat Senyawa 1,3-bifosfogliserat (1,3-BPG) mengandung anhidrida karboksilat dengan fosfat pada C-1. Jenis anhidrida ini disebut asil-fosfat memiliki energi hidrolisis bebas standar yang sangat tinggi. Dengan memindahkan fosfat ke ADP untuk membentuk ATP, yaitu fosforilasi tingkat substrat reaksi ini dikatalisis oleh enzim kinase fosfogliserat. 28 METABOLISME Intermediat

c. Reaksi 8 Pergeseran antar molekul fosfat Kelompok fosfat ditransfer dari C-3 dari 3-fosfogliserat ke C-2 oleh enzim mutasi fosfogliserat, menghasilkan pembentukan 2- fosfogliserat. Istilah mutasi digunakan untuk menunjuk enzim mengkatalisis transposisi gugus fungsi dalam molekul yang sama. d. Reaksi 9 Dehidrasi dari 2-fosfogliserat Penghapusan molekul air dari 2-fosfogliserat dikatalisis oleh enzim enolase menghasilkan pembentukan Fosfoenol Piruvat (PEP). Dalam reaksi ini, redistribusi energi terjadi dalam molekul yang sama, sehingga fosfat ester (PEP) menjadi kaya energi luar biasa, yang cukup untuk membentuk ATP, yaitu fosforilasi tingkat substrat. e. Reaksi 10 Produksi ATP dari fosfoenol piruvat Langkah terakhir dari urutan glikolitik melibatkan transfer gugus fosfat energi tinggi dari PEP ke ADP untuk menghasilkan molekul ATP (Gambar 5.7). Ini adalah langkah glikolisis ketiga yang searah (reaksi 1 dan 3 adalah dua lainnya). Piruvat kinase, enzim yang mengkatalisis langkah ini, adalah enzim pengatur (kunci). Defisiensi kinase piruvat menyebabkan penurunan produksi ATP dari glikolisis. Gangguan ini memengaruhi sebagian besar sel darah merah. Sel darah merah tidak dapat menghasilkan ATP cukup untuk pompa natrium mereka. Akibatnya, gradien ionik melintasi membran eritrosit tidak dapat dipertahankan sehingga mengakibatkan sel menjadi lisis. Tahap I: Reaksi 1–5 reaksi yang membutuhkan energi dan Tahap II: 6–10 reaksi yang menghasilkan energi. Langkah-langkah yang searah: 1, 3, dan 10 (Puri, 2011). Regulasi Glikolisis Glikolisis merupakan pusat metabolisme yang terintegrasi dengan sejumlah jalur metabolisme lainnya. Oleh karena itu, enzim pengatur (kunci) glikolisis merespons sinyal yang sesuai dari beberapa jalur lain. Bab 5_ Jalur Metabolik Glikolisis pada Metabolisme Intermediat 29

Ini membuat regulasi glikolisis menjadi peristiwa yang kompleks. Ada tiga reaksi glikolitik (enzim kunci) yang dikatalisis oleh heksokinase (glukokinase), fosfofruktokinase (PFK1) dan piruvat kinase yang secara metabolik ireversibel dan tunduk pada regulasi. Tahap regulasi utama adalah yang dikatalisasi oleh PFK1, sedangkan heksokinase dan piruvat kinase merupakan regulasi tambahan (Gambar 5.8). Gambar 5.2 Jalur Glikolisis dan Nasib Piruvat (Puri, 2011). 30 METABOLISME Intermediat

Gambar 5.3 Reaksi kinase piruvat. Piruvat menunjukkan tautomerisme keto-enol, bentuk keto yang energinya jauh lebih stabil daripada bentuk enol (Puri, 2011). Gambar 5.4 Regulasi glikolisis (Puri, 2011). 1. Regulasi heksokinase/glukokinase Aktivitas heksokinase tunduk pada inhibisi umpan balik oleh glukosa 6-fosfat,dengan tujuan mencegah akumulasi glukosa 6-fosfat intraselular. Bab 5_ Jalur Metabolik Glikolisis pada Metabolisme Intermediat 31

Glukokinase adalah enzim yang dapat diinduksi, yang secara khusus memengaruhi fosforilasi glukosa dalam hati. Ketersediaan substrat glukosa menginduksi sintesis enzim melalui insulin. Enzim ini bebas dari inhibisi umpan balik oleh glukosa 6-fosfat. 2. Regulasi fosfofruktokinase Titik kontrol yang paling penting untuk glikolisis adalah melalui regulasi fosfofruktokinase (PFK1), enzim alosterik yang kompleks (Tabel 4.1). Aktivitasnya dipengaruhi oleh muatan energi seluler (muatan energi yang tinggi menghambat PFK1 dan muatan energi yang rendah merangsangnya disertai modulator alosterik yang positif dan negatif. Gambar 5.5 Peraturan fosfofruktokinase-2 (PFK2) (Puri,2011). Keterangan: Enzim yang memiliki aktivitas kinase dan aktivitas fosfatase. Aktivitas fosfatase dirangsang oleh glukagon (melalui cAMP menginduksi fosforilasi), dan aktivitas kinase oleh insulin. 32 METABOLISME Intermediat

Tabel 4.1 Modulator Alosterik dari Fosfofruktokinase (PFK1). Aktivator Inhibitor AMP ATP Sitrat Fruktosa 2,6-bifosfat Ca2+ ADP Mg2+ K+ Fosfat pH rendah a. ATP ATP adalah modulator inhibitor penting dari aktivitas enzim. 1) Ketika tingkat ATP intraselular meningkat (menunjukkan muatan energi seluler yang tinggi), aktivitas enzim terhambat. Hal ini karena pengikatan ATP ke situs alosterik PFK1, yang menghasilkan berkurangnya afinitas enzim untuk fruktosa 6-fosfat. 2) Sebaliknya, tingkat ATP intraselular rendah menghasilkan penghilangan ATP dari situs alosterik yang menghasilkan peningkatan aktivitas enzim. b. Sitrat Efek penghambatan ATP pada PFK1 ditingkatkan metabolik antara oleh sitrat dari siklus TCA. Regulasi glikolisis oleh perantara siklus TCA memastikan bahwa tahapan dari dua jalur ini saling mengikuti satu sama lain. Setiap kali siklus TCA terhambat terjadi akumulasi hasil sitrat yang mengakibatkan hambatan glikolisis. c. AMP Pengaruh AMP pada PFK1 adalah sebagai stimulator karena menentang efek inhibitor ATP pada enzim ini. Pengaruh timbal balik dari ATP dan AMP memiliki efek aditif pada PFK1. Hal ini karena ketika tingkat AMP intraselular tinggi, tingkat ATP menjadi rendah. Keduanya (ATP rendah dan AMP tinggi) menstimulasi PFK1 sehingga mempercepat laju glikolisis. d. Fruktosa 2,6-bifosfat (F-2,6-BP) (Gambar 5.6) 1) Fruktosa 2,6-bifosfat adalah modulator alosterik paling penting (aktivator) PFK1. Oleh karena itu, glikolisis dilakukan di dalam hati. Alosterik ini disintesis dari fruktosa 6-fosfat oleh fosfofruktokinase 2 (PFK2), enzim yang berbeda dari PFK1, dan Bab 5_ Jalur Metabolik Glikolisis pada Metabolisme Intermediat 33

dihidrolisis kembali menjadi fruktosa 6-fosfat oleh fruktosa 2,6- bifosfatase 2 (FBPase2). Menariknya, baik PFK2 dan FBPase2 adalah aktivitas yang dikatalisasi oleh polipeptida yang sama, maka ini adalah enzim bifungsional. 2) Aktivitas enzim PFK2 diatur oleh mekanisme fosforilasi- defosforilasi. a) Enzim yang terdefosforilasi bertindak sebagai kinase. b) Enzim terfosforilasi bertindak sebagai fosfatase. Hormon berikut mengatur interkonversi dari bentuk fosforilasi/ defosforilasi sebagai berikut. 1) Glukagon: Bertindak melalui cAMP pembawa pesan kedua (cAMP diaktifkan protein kinase A) dan memfosforilasi enzim. Hal ini menghasilkan peningkatan aktivitas fosfatase PFK2, menyebabkan hidrolisis fruktosa 2,6-bifosfat. Ini menurunkan aktivitas PFK1 dan akibat dari laju glikolisis menurun. 2) Insulin: bertentangan dengan glukagon, yaitu menurunkan konsentrasi cAMP seluler yang mempromosikan defosforilasi enzim sehingga merangsang aktivitas kinase. 3) Fruktosa 6-fosfat adalah modulator potensial dari aktivitas PFK2. Ini tidak hanya merangsang sintesis F-2,6-BP, tetapi juga menghambat hidrolisisnya. F-2,6-BP pada gilirannya sangat mengaktifkan PFK sehingga dapat menstimulasi glikolisis. 3. Regulasi piruvat kinase Piruvat kinase sangat penting bagi PFK1 dalam pengaturan glikolisis. Ini memiliki tiga bentuk isozim. Semua mengkatalisis reaksi akhir (Reaksi 10 Gambar 5.1) dari urutan glikolitik. Aktivitasnya diatur secara alosterik dan dengan modulasi kovalen. Regulasi alosterik: Piruvat kinase dihambat secara alosterik oleh ATP dan alanin dan diaktivasi oleh fruktosa 1,6-bifosfat. Konsentrasi fruktosa 1,6-bifosfat meningkat setiap kali aktivitas PFK1 meningkat dan efeknya pada piruvat kinase adalah contoh stimulasi umpan maju. Modulasi kovalen: Piruvat kinase dihambat oleh fosforilasi cAMP yang diinduksi dari rantai samping serin dalam protein enzim. Jadi, glukagon, yang bertindak melalui protein kinase tergantung cAMP, menghambat aktivitas enzim, sehingga menghambat glikolisis hati. 34 METABOLISME Intermediat

OKSIDASI PIRUVAT Oksidasi Piruvat Piruvat dapat masuk pada beberapa jalur metabolisme. Jalur metabolisme dalam jaringan tergantung pada keadaan oksigenasinya dan kondisi metabolik. Dijelaskan di bawah ini (5.7) sebagai berikut. 1. Dekarboksilasi oksidatif terhadap asetil KoA: Jaringan dalam kondisi aerobik, piruvat mengalami dekarboksilasi oksidatif untuk membentuk asetil KoA yang selanjutnya teroksidasi melalui siklus TCA. 2. Pembentukan laktat: Laktat diproduksi oleh glikolisis dalam kondisi anaerobik dan proses ini disebut glikolisis anaerob. Pada kondisi anaerobik piruvat diubah menjadi laktat oleh enzim sitosol laktat dehidrogenase dan membutuhkan NADH. Gambar 5.7 Reaksi oksidasi piruvat NADH diproduksi dalam reaksi 3-fosfat dehidrogenase gliseraldehida (Reaksi 6 pada glikolisis) (Gambar 5.1). Ketika piruvat menjadi laktat menghasilkan regenerasi NAD+ sehingga glikolisis dapat berjalan normal. Apabila kekurangan NAD+pada reaksi 6 jalur glikolisis akan berhenti dan jalur glikolitik juga segera dihentikan. Dengan demikian, glikolisis anaerobik memberikan solusi sederhana yang elegan untuk memastikan bahwa glikolisis berlangsung tanpa terputus. 3. Karboksilasi menjadi oksaloasetat: a. Piruvat diubah menjadi oksaloasetat oleh karboksilasi tergantung biotin yang dikatalisis oleh enzim karboksilase piruvat. Oksaloasetat dapat membentuk glukosa melalui glukoneogenesis. Bab 5_ Jalur Metabolik Glikolisis pada Metabolisme Intermediat 35

4. Konversi menjadi malat: a. Enzim malat mengubah piruvat menjadi malat, yang juga dapat memasuki jalur glukoneogenik. 5. Konversi ke alanin: a. Piruvat dapat membentuk asam amino, alanin dengan proses transaminasi. 6. Pembentukan etanol: a. Konversi piruvat menjadi etanol terjadi pada ragi dan beberapa bakteri termasuk flora usus. Piruvat dapat disalurkan ke berbagai jalur metabolik. Ini juga dapat dihasilkan dari sejumlah senyawa, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.8 Terbukti, piruvat dikatakan berada di persimpangan jalan metabolik. Gambar 5.8 Piruvat dapat dihasilkan dari beberapa senyawa dan dapat disalurkan ke berbagai jalur (Puri, 2011). Tahapan Oksidasi Piruvat (Gambar 5.9) Reaksi piruvat dehidrogenase terjadi dalam matriks mitokondria. Tiga enzim berbeda [E1-E3] membentuk enzim Piruvat Dehidrogenasi kompleks (PDH) sebagai berikut. [1] Awalnya, piruvat dehidrogenase [E1] mengkatalisis dekarboksilasi piruvat dan pengalihan residu hidroksietil yang dihasilkan ke tiamin difosfat. Enzim E1 kemudian mengkatalisis oksidasi gugus hidroksietil TPP untuk menghasilkan residu asetil. Residu ini 36 METABOLISME Intermediat

kemudian dipindahkan ke lipoamida. Fungsi enzim E1, dekarboksilasi piruvat (mengeluarkan CO2 ke sitosol). [2-3] Enzim E2 (dihydrolipoamide acetyltransferase), menggeser residu asetil dari lipoamida menjadi koenzim A (2), dengan dihidrolipoamida tertinggal. Gambar 5.9 Oksidasi piruvat (Koolman and Roehm, 2005). 37 Bab 5_ Jalur Metabolik Glikolisis pada Metabolisme Intermediat

Fungsi enzim E2 mengoksidasi lipoamida (S-S) agar terbuka (2SH) sehingga dapat menangkap asetil →Asetil KoA. Kemudian ditutup lagi (S-S) dengan enzim E3 [4] Enzim E3 (dihydrolipoamide dehydrogenase), reoksidizes dihydrolipoamide, dengan terbentuknya NADH + H+. Elektron pertama kali diambil alih oleh enzim terikat FAD+ (4a) dan kemudian dipindahkan melalui ikatan disulfida aktif secara katalitik di subunit E3 untuk melepaskan NAD+. Kelima koenzim yang berbeda terkait dengan komponen enzim dengan cara yang berbeda, yaitu: 1. Tiamin difosfat tidak terikat secara kovalen pada E1; 2. Lipoamida terikat secara kovalen dengan residu lisin E2; 3. FAD terikat sebagai kelompok prostetik pada E3; dan 4. NAD+ dan Ko enzim A yang merupakan koenzim larut hanya untuk sementara dikaitkan dengan enzim kompleks. Aspek penting katalisis PDH adalah hubungan spasial antara komponen kompleks. Koenzim lipoamida terikat secara kovalen adalah bagian dari domain mobile E2, dan oleh karena itu sangat mobile. Struktur ini dikenal sebagai lengan lipoamida, dan ayunan bolak-balik antara E1 dan E3 selama katalisis. Dengan cara ini, lipoamida dapat berinteraksi dengan TPP yang terikat pada E1, dengan koenzim A terlarut dan juga dengan FAD yang berfungsi sebagai akseptor elektron di E3. Hasil Keseluruhan Piruvat + NAD+ + KoA→ Asetil KoA + NADH+ H+ + CO (2.5 ATP) Gambar 5.10 Reaksi Kimia Oksidasi Piruvat. Regulasi Oksidasi Piruvat Regulasi Kompleks Dehidrogenase Piruvat Aktivitas kompleks Piruvat Dehidrogenase (PDH) diaktifkan atau dinonaktifkan berdasarkan kebutuhan energi sel. Ketika muatan energi 38 METABOLISME Intermediat

tinggi seluler dan surplus molekul bahan bakar pada intraselular, penghambatan aktivitas kompleks enzim terjadi. Dua mekanisme regulasi telah diakui sebagai berikut. 1. Regulasi alosterik: Kompleks enzim tunduk pada inhibisi alosterik oleh produk reaksi asetil KoA, serta NADH, dan dirangsang oleh AMP. Peningkatan konsentrasi intraselular, dari kedua asetil KoA dan NADH menunjukkan kelebihan molekul bahan bakar intraselular dan muatan energi seluler yang berlebihan, yang mengakibatkan hambatan PDH. Dalam keadaan ini, menghentikan produksi lebih lanjut dari energi dan molekul bahan bakar. 2. Modulasi kovalen: PDH ada dalam dua bentuk, yaitu: a. Bentuk terfosforilasi, yang tidak aktif, dan b. Bentuk defosforilasi yang tidak aktif. Dengan demikian, ikatan kovalen dari gugus fosfat menjadikan kompleks PDH tidak aktif, sedangkan penghilangan gugus fosfat menghasilkan pengaktifan. Enzim-enzim berikut terlibat dalam interkonversi dari bentuk terfosforilasi. 1) Piruvat dehidrogenase kinase Enzim ini memfosforilasi kompleks enzim, sehingga menjadi nonaktif. Peningkatan aktivitas kinase, terkait dengan penurunan aktivitas PDH. Sebaliknya, penghambatan kinase mengaktifkan kompleks enzim. Piruvat dehidrogenase kinase diaktifkan secara alosterik oleh energi bermuatan tinggi, rasio tinggi [NADH]: [NAD+], dan rasio tinggi [asetil KoA]: [KoA] dan dihambat oleh piruvat. Sebaliknya, aktivitas enzim dihambat oleh muatan energi rendah, tercermin dengan rasio ADP: ATP yang meningkat, yang pada gilirannya menghasilkan aktivasi PDH. Hal ini menandakan peningkatan permintaan untuk produksi energi, yang dipenuhi melalui aktivasi PDH. 2) Protein fosfatase: Enzim ini menghilangkan gugus fosfat dari bentuk terfosforilasi kompleks PDH untuk menghasilkan bentuk terdefosforilasi aktif dapat diartikan mengaktifkan PDH. Bab 5_ Jalur Metabolik Glikolisis pada Metabolisme Intermediat 39

SIKLUS CORI ATAU SIKLUS LAKTAT Otot yang aktif berolahraga, kurang dari 10%, piruvat digunakan oleh siklus TCA dan sisanya dikurangi menjadi laktat, yaitu glikolisis anaerobik. Akumulasi laktat dan penurunan pH yang konsekuen berpotensi berbahaya dan harus dicegah. Mekanisme ada di tubuh yang mencegah akumulasi laktat yang berlebihan. Laktat pertama berdifusi ke dalam peredaran darah, membran plasma sel-sel otot bebas permeabel terhadap laktat. Selanjutnya, dibawa ke hati dalam sel hepatosit masuk jalur glukoneogenesis membentuk glukosa. Glukosa diangkut ke otot skeletal. Dengan demikian, proses siklik diatur antara hati dan otot yang memastikan reutilisasi laktat yang efisien oleh tubuh. Ini disebut sebagai siklus Cori (Gambar 4.11). RANGKUMAN Glikolisis merupakan jalur katabolik utama untuk metabolisme karbohidrat, yaiu glukosa yang terjadi di sitosol sel. 1. Glikolisis dapat dibagi menjadi dua tahap utama. Tahap I adalah tahap endergon, yaitu membutuhkan energi di mana molekul glukosa diaktifkan melalui pengeluaran molekul ATP. Tahap II mengarah pada penghasilan energi dan karenanya disebut sebagai “pay-off stage”. Glikolisis merupakan pusat metabolisme yang terintegrasi dengan sejumlah jalur metabolisme lainnya. Oleh karena itu, enzim pengatur (kunci) glikolisis merespons sinyal yang sesuai dari beberapa jalur lain. 2. Piruvat dapat masuk pada beberapa jalur metabolisme. Jalur metabolisme dalam jaringan tergantung pada keadaan oksigenasinya dan kondisi metabolik. Aktivitas kompleks piruvat dehidrogenase (PDH) diaktifkan atau dinonaktifkan berdasarkan kebutuhan energi sel. 40 METABOLISME Intermediat

3. Otot yang aktif berolahraga kurang dari 10% piruvat digunakan oleh siklus TCA dan sisanya dikurangi menjadi laktat, yaitu glikolisis anaerobik. Proses siklik diatur antara hati dan otot, yang memastikan reutilisasi laktat yang efisien oleh tubuh. Ini disebut sebagai siklus Cori. LATIHAN SOAL 1. Apa hubungan antara siklus Cori dengan glikolisis dan glukoneogenesis? Jawaban: DARAH NADH + H+ NADH + H+ NAD + NAD + Gambar 5.11 Siklus Cori. Lintasan glikolisis ditentukan oleh kadar gula darah, sedangkan laju lintasan glukoneogenesis ditentukan oleh asam laktat dan beberapa senyawa prekursor glukosa. Lintasan glikolisis dalam satu sel akan berpasangan dengan lintasan glukoneogenesis dalam sel lain melalui mediasi plasma darah dan membentuk satu siklus yang disebut siklus Cori. Siklus Cori biasa terjadi antara sel otot lurik dan organ hati. Oleh karena otot lurik, pada saat berkontraksi, akan mendifusikan asam laktat keluar masuk sirkulasi darah. Asam laktat lebih banyak disekresi karena rasio NADH: NAD+ saat kontraksi otot akan mengubah sebagian asam piruvat menjadi asam laktat. Asam laktat akan terdifusi masuk ke dalam hati oleh karena rasio NADH: NAD+ yang rendah, untuk dioksidasi menjadi asam piruvat dan kemudian dikonversi menjadi glukosa. Bab 5_ Jalur Metabolik Glikolisis pada Metabolisme Intermediat 41

Siklus Cori merupakan siklus energi yang terbentuk karena adanya interaksi antara lintasan glikolisis dalam satu sel yang akan berpasangan dengan lintasan glukoneogenesis dalam sel lain melalui mediasi plasma darah sehingga menghasilkan asam laktat. 2. Seorang peneliti sedang memeriksa kontrol regulasi glikolisis dengan penambahan senyawa X ke hepatosit sistem kultur sel. Peneliti menemukan tambahan itu hasil senyawa dalam peningkatan laju produksi ATP dari glukosa sekaligus mengurangi pengeluaran glukosa ke dalam media kultur. Senyawa apakah yang dapat memicu produksi ATP pada percobaan tersebut? A. Fruktosa 1,6-bifosfat. B. Fruktosa 2,6-bifosfat. C. Fruktosa 1-bifosfat. D. Glukosa 6-bifosfat. E. Fosfoenolpiruvat. Jawaban B Fruktosa-2,6-bifosfat (F2,6BP) adalah aktivator alosterik paling kuat dari PFK1, yang dihasilkan dalam aktivasi glikolisis. Secara bersamaan, F2,6BP secara alosterik menghambat enzim glukoneogenik F-1,6- BPase. 42 METABOLISME Intermediat