Metabolisme Karbohidrat Oleh: Tri Suwandi, S.Pd., M.Sc. suwandi.3su@gmail.com

Mengapa metabolisme karbohidrat penting? Monosakarida (heksosa) hasil penceranaan terutama: glukosa, galaktosa, dan fruktosa. Fruktosa dan galaktosa  glukosa (di hati) Glukosa adalah sumber energi utama. Kadar glukosa darah harus seimbang antara 80-180g/dl Bila berlebih atau berkurang dari kadar normal  gangguan kesehatan Berlebih  hiperglikemia  glukosa sangat reaktif  merusak Kekurangan  hipoglikemia  “low batt”

Jika [glukosa] tinggi Jika [glukosa] rendah

Metabolisme Karbohidrat Glikolisis Aerob Siklus Krebs Fosforilasi Oksidatif Kemiosmosis Anaerob Fermentasi Glikogenesis Glikogenolisis Pentose Phosphate Shunt Glukoneogenesis

1. GLIKOLISIS Disebut juga Embden Meyer Hoff Pathway Berlangsung di sitosol Prinsip: memecah glukosa (senyawa organik berkarbon 6) menjadi 2 molekul senyawa asam piruvat (senyawa organik berkarbon 3). Reaksi-reaksi pada Glikolisis pada umumnya berjalan 2 arah (bolak-balik), kecuali reaksi 1, 3, dan 10 berjajan searah. Terdapat 2 fase: Fase I (reaksi 1-5)  Fase investasi energi Fase II (reaksi 6-10)  Fase pembayaran energi

http://chemwiki. ucdavis http://chemwiki.ucdavis.edu/@api/deki/files/66462/=%253DGlycolysiscompleteLabelled.3.png?revision=1&size=bestfit&width=853&height=496

Pengaturan Glikolisis hexokinase atau glucokinase phosphofructokinase pyruvate kinase

Pengaturan Pertama Glikolisis: Heksokinase Mengkatalisis semua heksosa. Terdapat hampir dalam semua sel, kecuali hepar dan sel-β pankreas. Tidak dipengaruhi oleh puasa, diet, insulin, diabetes melitus Dihambat oleh Glukosa-6-fosfat.

Pengaturan Pertama Glikolisis: Glukokinase Mengkatalisis hanya glukosa saja. Terdapat dalam sel hepar saja. Dipengaruhi oleh: puasa, diet, insulin, diabetes melitus Tidak dihambat oleh Glukosa-6-fosfat.

Pengaturan Glikolisis: Fosfofruktokinase Enzim ini membatasi/mengatur kecepatan jalur glikolitik. Diaktifkan oleh peningkatan AMP dalam sitosol. AMP meningkat karena ATP dihidrolisis oleh reaksi yang memerlukan energi.

Pengaturan Glikolisis: Piruvat Kinase Piruvat Kinase diatur di dalam hepar. Enzim ini mengubah kelebihan glukosa menjadi piruvat, selanjutnya dimetabolisme menjadi acetyl-CoA agar bisa disimpan sebagai fatty acids untuk cadangan energi jangka panjang.

Dekarboksilasi Oksidatif Berlangsung di membran luar mitokondria https://amit1b.files.wordpress.com/2013/11/figure-2.png

Siklus Asam Sitrat/Asam Trikarboksilat/Krebs Berlangsung di matriks mitokondria http://bio100.class.uic.edu/lectures/09_15_citric_acid_cycle-L.jpg

Fosforilasi Oksidatif http://academic.pgcc.edu/~kroberts/Lecture/Chapter%205/05-20_e-TransportChain_L.jpg Fosforilasi Oksidatif Berlangsung di membrane dalam mitokondria

Protein complex of electron carriers H H H Protein complex of electron carriers H Cyt c IV Q III I ATP synth- ase II 2 H + 1/2O2 H2O FADH2 FAD Figure 9.15 Chemiosmosis couples the electron transport chain to ATP synthesis. NAD NADH ADP  P i ATP (carrying electrons from food) H 1 Electron transport chain 2 Chemiosmosis Oxidative phosphorylation

Oxidative phosphorylation: electron transport and chemiosmosis Figure 9.16 Electron shuttles span membrane MITOCHONDRION 2 NADH or 2 FADH2 2 NADH 2 NADH 6 NADH 2 FADH2 Oxidative phosphorylation: electron transport and chemiosmosis Glycolysis Pyruvate oxidation Citric acid cycle Glucose 2 Pyruvate 2 Acetyl CoA Figure 9.16 ATP yield per molecule of glucose at each stage of cellular respiration.  2 ATP  2 ATP  about 26 or 28 ATP About 30 or 32 ATP Maximum per glucose: CYTOSOL

Respirasi Anaerob/Fermentasi 2 ADP  2 P i 2 ATP 2 ADP  2 P i 2 ATP Glucose Glycolysis Glucose Glycolysis 2 Pyruvate 2 NAD  2 NADH 2 CO2 2 NAD  2 NADH  2 H  2 H 2 Pyruvate Figure 9.17 Fermentation. 2 Ethanol 2 Acetaldehyde 2 Lactate (a) Alcohol fermentation (b) Lactic acid fermentation Manusia memiliki enzim untuk oksidasi etanol di hepar, yaitu alkohol dehidrogenase Asetaldehid sangat reaktif dan toksik

2. GLUKONEOGENESIS Prinsip  pembentukan glukosa dari bahan bukan karbohidrat. Pada mamalia terutama terjadi di hati dan ginjal Substrat : Asam laktat  dari otot, eritrosit Gliserol  dari hidrolisis Triasilgliserol dalam jaringan lemak (adiposa) Asam amino glukogenik Asam propionat  pada ruminansia Glukoneogenesis penting sekali untuk penyediaan glukosa bila karbohidrat tidak cukup dalam diet. Jaringan perlu pasokan glukosa kontinu sebagai sumber energi terutama sistem saraf dan eritrosit.

Sel-sel astrosit pada saraf otak juga menghasilkan laktat. Eritrosit tidak memiliki inti dan organel seperti mitokondria, jadi siklus Krebs dan transfer elektron tidak berlangsung, akibatnya asam laktat akan menumpuk. Sel-sel astrosit pada saraf otak juga menghasilkan laktat. Otot rangka memfermentasi gukosa menjadi laktat pada saat latihan berat. Laktat selanjutnya memasuki daur Cori. https://s3.amazonaws.com/classconnection/823/flashcards/9208823/jpg/picture2-15000E0AD9C6019D155.jpg

http://www. biochemden. com/wp-content/uploads/2015/03/Gluconeogenesis http://www.biochemden.com/wp-content/uploads/2015/03/Gluconeogenesis.jpg

Regulation of gluconeogenesis and glycolysis: inactivation of the glycolytic enzymes and activation of the enzymes of gluconeogenesis 1. Pyruvate ↔ PEP Pyruvate kinase - inactivation by cAMP (glucagon) Phosphoenolpyruvate carboxykinase - induced by glucagon, epinephrine, and cortisol 2. Fructose 1,6-P ↔ Fructose 6-P Phosphofructokinase - activated by fructose 2,6-P Fructose 1,6-bisphosphatase - inhibited by fructose 2,6-P 3. Glucose 6-P ↔ Glucose Glucokinase - high Km for glucose, induced by insulin Glucose 6-phosphatase - induced during fasting

3. JALUR PENTOSA FOSFAT Disebut juga HMP shunt (Hexose Monophosphate Shunt) atau Pentose Phosphate Pathway. Merupakan jalan lain untuk oksidasi glukosa, tetapi tidak bertujuan menghasilkan energi (ATP). Fungsi utama jalur ini adalah untuk menghasilkan NADPH, yaitu dengan mereduksi NADP+. NADPH diperlukan untuk proses anabolik di luar mitokhondria, seperti sintesis asam lemak dan steroid. Fungsi yang lain adalah menghasilkan ribosa-5-fosfat untuk sintesis nukleotida dan asam nukleat. Aktif dalam : Hati Jaringan Lemak Kelenjar Korteks Adrenal Kelenjar Tiroid Kelenjar Mammae Eritrosit

Pentose Phosphate Pathway

4. GLIKOGENESIS vs GLIKOGENOLISIS Glikogenesis  sintesis glikogen dari glukosa. Glikogenolisis  pemecahan glikogen menjadi glukosa. Glikogen adalah bentuk utama cadangan glukosa pada sel-sel manusia. Penyimpanan glikogen terutama terjadi dalam hepar dan otot rangka. Glikogen hepar berfungsi sebagai sumber glukosa darah. Glikogen otot rangka akan diubah menjadi glukosa-6-fosfat untuk sintesis ATP dalam jalur glikolitik.

Hormon yg mengatur glukosa darah: Hormon dari kelenjar pulau Langerhans α dan β pankreas  Glukagon dan Insulin Hormon dari medula adrenal  Epinefrin Hormon dari kelenjar hipofisa/pituitari anterior  Growth Hormone (somatotropin) Glukagon (hati) dan epineprin (otot)  pembentukan cAMP cAMP  menghambat glikogen sintase  glikogenesis terhambat cAMP  memacu fosforilase  glikogenolisis berlangsung Insulin (hati dan otot) memucu glikogen sintase  glikogenesis berlangsung memacu fosfodiesterase  cAMP dipecah menjadi 5’AMP  glikogenolisis terhambat

Glycogenesis Glycogenolysis http://ecoursesonline.iasri.res.in/pluginfile.php/41009/mod_resource/content/1/13.19-Pathway_of_glycogenesis_and_glycogenolysis_in_liver-01-Feb-2012.jpg

oligo (α 1→6) to (α 1→4) glucan-transferase

amylo (1→4) to (1→6) transgycosylase

Glucose homeostasis: maintenance of blood glucose levels near 80 to 100 mg/dL (4,4-5,6 mmol/l) insulin and glucagon (regulate fuel mobilization and storage) Hypoglycemia prevention: release of glucose from the large glycogen stores in the liver (glycogenolysis) synthesis of glucose from lactate, glycerol, and amino acids in liver (gluconeogenesis) release of fatty acids from adipose tissue (lipolysis) Hyperglycemia prevention: conversion of glucose to glycogen (glycogen synthesis) conversion of glucose to triacylglycerols in liver and adipose tissue (lipogenesis)

http://classes. midlandstech http://classes.midlandstech.edu/carterp/Courses/bio211/chap16/figure_16_19_labeled.jpg

Pathways regulated by the release of: glucagon (in response to a lowering of blood glucose levels) insulin (in response to an elevation of blood glucose levels)

Major sites of glucagone action on fuel metabolism: Mobilization of energy stores release of glucose from liver glycogen stimulating gluconeogenesis from lactate, glycerol, and amino acids (liver) mobilizing fatty acids (adipose tissue)

Major sites of insulin action on fuel metabolism: The storage of nutriens glucose transport into muscle and adipose tissue glucose storage as glycogen (liver, muscle) conversion of glucose to TG (liver) and their storage (adipose tissue) protein synthesis (liver, muscle) inhibition of fuel mobilization

Production of blood glucose Sumber glukosa darah: Karbohidrat makanan Glikogenolisis hepar Glukoneogenesis Production of blood glucose Glycogenolysis 2 hours after a meal the primary source of blood glucose during the first few hours of fasting Gluconeogenesis after consumption of the liver glycogen lactate (muscle, erythrocytes), amino acids (muscle), glycerol (adipose tissue)

Sources of blood glucose in fed, fasting, and starved states: Blood glucose levels at various stages of fasting: Stage of fasting Glucose (mg/dL) Glucose (mM/L) Normal level 80-100 4,4-5,6 Fasting (12 h) 80 4,4 Starvation (3 d) 70 3,9 Starvation (5-6 wk) 65 3,6

Metode “Carbohydrate Loading” untuk Olahragawan Otot mengandung glikogen lebih sedikit daripada hepar, tetapi kadarnya akan menurun hanya sesudah kerja otot yang lama. Bila memakan banyak karbohidrat, maka glikogen otot akan meningkat melampaui tingkat biasa (>1%). Olahragawan memanfaatkan kemampuan otot ini untuk ketahanan saat bertanding.

Regulation of liver and muscle glycogen metabolism: State Regulators Response Liver Fasting Glucagon ↑, Insulin ↓ cAMP ↑ Glycogen degradation ↑ Glycogen synthesis ↓ Carbohydrate meal Glu ↑, Glucagon ↓, Insulin ↑ cAMP ↓ Glycogen degradation ↓ Glycogen synthesis ↑ Exercise and stress Adrenalin ↑ cAMP ↑, Ca2+-calmodulin ↑ Glycogen degradation ↑ Glycogen synthesis ↓ Muscle Fasting (rest) Insulin ↓ Glucose transport ↓ Carbohydrate meal (rest) Insulin ↑ Glycogen synthesis ↑ Glucose transport ↑ Exercise Epinephrine ↑ AMP ↑, Ca2+-calmodulin ↑, cAMP ↑ Glycolysis ↑