Metabolisme karbohidrat dan GangguannyaolehMartina Tandri (08121006017)Seperti yang kita ketahui setiap hari semua makhluk makan agar dapat tetap hidup. Mengapa kita harus makan? ini dilakukan agar tubuh kita tetap memiliki energi untuk beraktivitas. Salah satu sumber energi didapat dari karbohidrat. Tumbuhan memiliki kemampuan untuk meproduksi karbohidrat sendiri namun makhluk hidup lain seperti manusia dan hewan tidak memiliki kemampuan itu makanya harus makan makanan yang mengandung karbohidrat. Karbohidrat yang dimakan akan mengalami proses metabolisme baik anabolisme (pembentukan) maupun katabolisme (perombakan). Katabolisme menghasilkan energi sedangkan anabolisme menghasilkan produk lain seperti kelebihan glukosa akan dibentuk menjadi glikogen maupun diubah lagi menjadi lipid sebagai cadangan energi. Karbohidrat yang dimakan akan melewati proses hidrolisis pencernaan (penguraian dengan molekul air) di mulut, lambung dan usus untuk mengubah yang komplek (polisakarida dan disakarida seperti pati dan laktosa) menjadi bentuk paling sederhana (monosakarida seperti glukosa dan fruktosa). Setelah menjadi monosakarida dibawa ke sel untuk diubah menjadi energi.Saat pengkunyahan air liur yang mengandung enzim ptialin (merupakan -amilase disekresikan oleh kelenjar parotis di mulut) akan bercampur dengan makanan. Pati (3- 5 %) yang terkandung akan dihidrolisis menjadi maltosa dan gugus glukosa kecil yang terdiri dari 3-9 molekul glukosa. Kemudian bolus makanan masuk ke lambung dimana struktur makanan diubah menjadi bubur dan asam (disebut kim) yang diteruskan ke duodenum. Kim bercampur dengan getah pankreas di duodenum dimana pati yang belum dipecah akan dihidrolisis oleh enzim amilase (mengandung -amilase) dari getah pankreas ini menjadi maltosa dan polimer glukosa kcil lainnya. Hasil akhir pencernaan karbohidrat dihasilkanlah glukosa, fruktosa, galaktosa, manosa, dan monosakarida lainnya yang kemudian diabsorbsi melalui dinding usus halus dan dibawa ke hati oleh darah. Pada hati, glukosa akan mengalami 2 proses, yaitu pertama beredar bersama aliran darah untuk memenuhi kebutuhan energi sel-sel tubuh, kedua akan diubah menjadi glikogen dengan bentuan hormon insulin untuk menjaga keseimbangan gula darah dan cadangan (dimana akan diubah kembali menjadi glukosa dengan bantuan hormon adrenalin). Energi yang dihasilkan dari glukosa mengalami 3 proses, yaitu proses glikolisis, siklus krebs dan sistem transpor elektron. Glukosa masuk ke dalam sel, lalu sampai di sitoplasma. Disinilah terjadilah proses glikolisis. Di sitoplasma sel, terjadi penggunaan ATP sehingga fosfat anorganik diikat oleh glukosa menjadi glukosa 6-fosfat yang dibantu oleh enzim heksokinase dalam reaksi fosforilasi. Heksokinase membantu pemindahan gugus fosfat dari ATP menjadi ADP dan fosfat yang lepas diberikan kepada glukosa sehingga menjadi glukosa 6-fosfat. Selanjutnya glukosa 6-fosfat mengalami isomerasi menjadi fruktosa 6-fosfat dengan enzim fosfoglukoisomerase. Selanjutnya ATP digunakan kembali menyebabkan gugus fosfat dari ATP diberikan ke fruktosa 6-fosfat menjadi fruktosa 1,6-difosfat oleh enzim fosfofruktokinase dibantu oleh ion Mg2+ (kofaktor) sedangkan ATP berubah menjadi ADP. Hasilnya 2 molekul triosa fosfat (dihidroksiasetonfosfat dan D-gliseraldehida-3-fosfat) didapat dari penguraian fruktosa 1,6-difosfat dikatalis oleh enzim aldolase. Dihidroksiasetonfosfat tidak dapat mengalami reaksi lebih lanjut melainkan hanya dapat diubah menjadi D-gliseraldehida-3-fosfat oleh enzim triosafosfat isomerase. Dalam keadaan seimbang terdapat 90% dalam sel. D-gliseraldehida-3-fosfat dioksidasi oleh enzim gliseraldehida-3-fosfat dehidrogenase menjadi asam 1,3-difosfogliserat dengan digunakan koenzim NAD+ sehingga 2 elektron dan 1 atom hidrogen diterima NAD+ menjadi NADH. Asam 1,3-difosfogliserat dengan menggunakan ADP diubah menjadi asam 3-fosfogliserat dikatalis oleh enzim fosfogliseril kinase dan kofaktornya Mg2+. Disini dibentuklah ATP dari ADP yang digunakan. Kemudian gugus fosfat dari Asam 3-fosfogliserat dipindahkan ke karbon kedua sehingga terbentuklah asam 2-fosfogliserat dikatalis oleh fosfogliseril mutase ( enzim yang memindahkan gugus fosfat dari 1 atom C ke atom C lain dalam 1 molekul). Pemindahan ini diikuti dengan pelepasan H2O menyebabkan Asam fosfoenol dibentuk dari 2-fosfogliserat pada reaksi dehidrasi yang dikatalis enolase dengan kofaktor Mg2+. Tahap akhirnya gugus fosfat dari asam fosfoenolpiruvat dipindahkan ke ADP yang dikatalis piruvat kinase, sehingga ATP dan asam piruvat terbentuk. Saat keadaan anaerob (kekurangan O2) asam laktat dibentuk dengan mereduksi asam piruvat dengan dikatalis oleh laktat dehidrogenase dan NADH sebagai koenzim. Dari proses glikolisis ini didapat 2 ATP dan 2 NADH. Monosakarida lain seperti fruktosa, galaktosa dan manosa termasuk glikogen juga mengalami proses glikolisis seperti pada glukosa yang diubah dahulu menjadi glukosa 6-fosfat dst. Dalam keadaan aerob, asam piruvat hasil glikolisis memasuki rongga antara membran dalam dan membran luar mitokondria. Disini gugus karboksil (dalam bentuk CO2) dilepaskan oleh asam piruvat. Hidrogen dan elektron juga diberikan ke NAD+ oleh asam piruvat sehingga terbentuklah NADH. Selanjutnya dibentuklah asetil-KoA dari penggabungan koenzim A (tiamin pirofisfat (TPP), NAD+, dan asam lipoat) dengan sisa 2 atom karbon dari asam piruvat yang dikatalis oleh kompleks piruvatdehidrogenase dengan aktivator Mg2+. Peristiwa ini disebut dekarboksilasioksidatif.

Asetil KoA pun memasuki matriks mitokondria yang akan memasuki siklus krebs. Asetil KoA dikondensasi (pentrasnferan 2 atom karbonnya) dengan asam oksaloasetat membentuk asam sitrat yang dikatalis oleh sitrat sintetase. Disini koenzim A dilepaskan dari Asetil KoA. H2O ditambahkan dan dilepaskan dari Asam sitrat menyebabkan asam sitrat diubah menjadi asam isositrat melalui asam akonitat dengan katalis akonitase. Selanjutnya gugus karboksil (dalam bentuk CO2) Asam isositrat dilepaskan jadi dibentuklah asam oksalosuksinat dikatalis oleh isositrat dehidrogenase dengan koenzim NADP+. Diubah lagi menjadi asam -ketoglutarat yang dikatalis enzim karboksilase, koenzim NAD. Hidrogen dan elektron ditransfer ke NAD maka dibentuklah NADH. Koenzim A diikat oleh asam -ketoglutarat pada dekarboksilasi oksidatif sehingga dibentuklah suksinil KoA akibatnya gugus karboksil (dalam bentuk CO2) dari asam -ketoglutarat dilepaskan dan dihasilkan juga NADH. Selanjutnya Koenzim A dilepaskan dan digantikan oleh fosfat (dari GTP) oleh suksinil KoA serta dibentuk GTP (guanosin trifosfat) dari GDP (guanosin difosfat) sehingga terbentuk asam suksinat. Gugus fosfat di GTP diikatkan segera ke ADP yang dikatalis oleh nukleosida difosfokinase sehingga terbentuk GDP dan ATP. Elektron dan hidrogen dari asam suksinat ditransfer ke FAD (sebagai koenzim) membentuk FADH2 sehingga asam suksinat dioksidasi menjadi asam fumarat yang dikatalis oleh enzim suksinat dehidrogenase. Kemudian terjadi adisi molekul air pada asam fumarat sehingga dihasilkan asam malat yang dikatalis oleh enzim fumarase. Hidrogen dan elektron asam malat ditransfer dari NAD+ dari NADH. Tahap akhirnya asam malat didehidrogenase membentuk asam oksaloasetat dengan enzim malat dehidrogenase. Namun oksaloasetat yang dibentuk ini akan bereaksi dengan asetil KoA dan asam sitrat yang terbentuk sehingga akan terjadi reaksi berulang dan terus menerus dan digunakan lagi pada siklus krebs selanjutnya. Pada tahap dekarboksilasi oksidatif didapat 2 NADH sedangkan pada siklus krebs didapat 2 ATP, 6 NADH, dan 2 FADH.Energi yang dihasilkan pada proses glikolisis dan siklus krebs ada yang sudah langsung dapat digunakan seperti ATP dan GTP namun NADH dan FADH2 belum dapat digunakan makanya harus diproses lagi dalam sistem tranpor elektron di membran dalam mitokondria (pada eukariotik) atau membran sel (pada prokariotik). NADH dan FADH2 dari siklus krebs memberikan elektron dan H+ ke sistem transpor elektron. Ini menyebabkan elektron bergerak sehingga H+ dipompa ke luar dari membran dalam mitokondria. Konsentrasi H+ di luar membran dalam mitokondria menimbulkan gradien elektron antara bagian luar dan bagian dalam membran dalam mitokondria. Akibatnya ion H+ kembali menuju bagian dalam membran dalam mitokondria melalui ATP sintase. ATP sintase berupa protein yang menempel di membran dalam mitokondria. Aliran H+ melalui protein transpor memacu pembentukan ATP dari ADP dan fosfat (Pi). Pembentukan ATP dijaga terus berjalan oleh O2 bebas dengan diterimanya elektron yang dilepaskan pada akhir sistem transpor elektron. Terbentuklah H2O dengan penggabungan O2 dengan H+. NADH dioksidasi sehingga dapat digabungkan dengan reaksi pembentukkkan ATP dimana akan dibentuk 3 ATP setiap 1 mol NADH. Pada sel eukariotik membran dalam mitokondrianya tidak permeabel dengan NADH, maka NADH dari proses glikolisis dioksidasi terlebih dahulu menjadi NAD+ oleh dihidroksi aseton fosfat. Dihidroksi aseton fosfat diubah menjadi gliserol-3-fosfat yang dapat masuk melalui membran dalam mitokondria. Lalu didalam mitokondria, gliserol-3-fosfat diubah menjadi dihidroksiasetonfosfat kembali. FADH dioksidasi menjadi 2 mol ATP. Elektron yang dibawa dari NADH dan FADH secara berantai dari satu substrat ke substrat lain dipindahkkan melalui sitokrom a, sitokrom b, dan sitokrom c (mengandung ion besi Fe 3+ atau Fe 2+)yang digunakan untuk mengubah molekul O2 menjadi H2O. Jadi keseluruhan hasil katabolisme 1 mol glukosa menghasilkan 36 ATP dalam keadaan aerob. Kadar glukosa darah manusia normal antara 80- 100 mg/100mL, setelah makan 120- 130 mg/100 mL namun setelah 2 jam akan turun normal kembali. Konsentrasi glukosa yang terlalu tinggi akan dikeluarkan dari tubuh melalui urin. Glukosa yang berlebih akan diubah menjadi glikogen di hati dan otot jika hanya ada uridin difosfat glukosa. Uridin difosfat glukosa dibentuk dari reaksi uridintrifosfat dengan glukosa 1-fosfat. Pemecahan glikogen menjadi glukosa disebut glikogenolisis. Awalnya glikogen dipecah menjadi molekul glukosa 1 fosfat pada fosforolisi (reaksi dengan asam fosfat) dikatalis oleh enzim glikogenolisis. Di hati glukosa 1-fosfat diubah menjadi glukosa 6-fosfat, diubah lagi menjadi glukosa dan fosfat oleh enzim fosfotase. Glukosa yang terbentuk masuk ke darah yang kemudian dialirkan ke jaringan-jaringan. Sedangkan di otot penguraian glikogen menjadi glukosa 1-fosfat kemudian menjadi glukosa 6-fosfat digunakan langsung pada proses glikolisis tetapi karena dalam sel otot tidak terdapat enzim fosfotase maka glukosa 6-fosfat tidak dapat diubah menjadi glukosa.Asam laktat yang terbentuk pada proses glikolisis anaerob yang dibawa oleh darah ke hati diubah menjadi glukosa kembali melalui proses glukoneogenesis(sintesis glukosa dari senyawa bukan karbohidrat seperti asam laktat, asam amino, dll). Asam laktat diubah lagi menjadi asam piruvat. Kemudian fosfoenolpiruvat dibentuk melalui pembentukan asam oksalo asetat dari asam piruvat , kemudian fosfoenol piruvat diubah menjadi 2-fosfo gliserat, diubah lagi menjadi 3- fosfo gliserat. 1,3-difosfo gliserat dibentuk dari 3- fosfo gliserat. Gliseraldehida-3-fosfat dibentuk dari 1,3-difosfo gliserat, yang akan ada berubah menjadi dihidroksiaseton. Fruktosa-1,6-difosfat dibentuk dari gliseraldehida-3-fosfat. Fruktosa- 6 fosfat dibentuk dari fruktosa-1,6-difosfat dengan dihidrolisis oleh enzim fruktosa-1,6-difosfotase. Fruktosa-6 fosfat diubah menjadi glukosa 6-fosfat, kemudian hasilnya dihidrolisis oleh enzim glukosa6-fosfatase menjadi glukosa.Pada saat otot banyak bergerak terutama saat berolah raga menyebabkan oksigen dalam otot sangat sedikit sehingga banyak asam piruvat yang diubah menjadi asam laktat, dan kadar glikogen dalam otot berkurang. Inilah yang menyebabkan rasa lelah. Pada saat ini otot kekurangan ATP namun kekurangan ATP ini diimbangi oleh adanya kreatinfosfat (senyawa berenergi tinggi dalam otot). Kreatinfosfat bereaksi reversibel dengan ADP membentuk ATP dengan cara memberikan gugus fosfat ke ADP sehinga berubah menjadi kreatin. Setelah istirahat kebutuhan oksigen dalam otot lambat laut kembali normal sehingga proses kimia dalam siklus krebs akan berjalan sehingga asam laktat yang tadinya menumpuk akan diubah kembali menjadi asam piruvat dan glikogen akan disintesis kembali. Pada saat ini ATP mulai terbentuk kembali sehingga kreatinfosfat terbentuk kembali.Penyakit yang sering kita dengar dengan kencing manis atau dalam bahasa ilmiahnya disebut Diabetes melitus merupakan salah satu akibat dari gangguan metabolisme karbohidrat yang disebabkan oleh jumlah insulin yang sangat minim atau kerja insulin tidak optimal sehinga insulin tidak bisa masuk ke sel dan hanya menumpuk di pembuluh darah. Akibatnya glukosa darah tidak dapat digunakan dengan baik yang menyebabkan keadaan hiperglikemik. Seperti yang kita ketahui insulin merupakan hormon yang memberi respon agar glukosa dapat diubah menjadi glikogen serta mengatur metabolisme glukosa menjadi energi. Glukosa yang memiliki ukuran molekul yang cukup besar sehingga tidak dapat dengan mudah menembus membran sel maka dibantulah oleh insulin. Pengikatan glukosa pada membran sel juga dapat ditingkatkan oleh adanya insulin, glikogenesis (pembentukan glikogen) di hati ditingkatkan, sintesis asam lemak ditingkatkan, pemecahan asam lemak menjadi keton diturunkan dan sintesis asam amino menjadi protein ditingkatkan.Metabolisme glukosa diatur insulin dengan memfosforilasi substrat reseptor insulin (IRS) melalui aktivitas tirosin kinase subunit a pada reseptor insulin. jadi ada reaksi yang dipicu sehingga kadar glukosa dalam darah menurun. Glukosa yang ada di dalam darah diangkut ke dalam sel melalui difusi dibantu oleh protein pengangkut. Ketika glukosa terdapat dalam darah, normalnya insulin terinduksi untuk disekresikan. Sinyal ditransmisikan oleh insulin menyebabkan jumlah protein pengangkut terutama di otot jantung, rangka dan adiposa ditingkatkan serta pengangkut glukosa ditarik ke tempat yang aktif pada membran plasma. Jadi membran sel dapat ditembus dengan mudah oleh glukosa. Saat glikolisis, enzim-enzim ditingkatkan oleh insulin sebaliknya pada glukoneogenesis sintesis enzim disini dikurangi. Protein pengangkut penderita diabetes melitus jumlahnya sangat sedikit terutama di otot jantung, rangka dan adiposa karena insulin tidak tersedia untuk mentraslokasikannya ke situs aktif. Ini menyebabkan glukosa masuk ke sel terhambat jadi glikolisis dan glikogenesis juga terhambat karena enzim tidak diaktifkan oleh insulin. Jadi glukosa yang dikonsumsi oleh penderita diabetes melitus kurang dapat dimanfaatkan menjadi energi. Kadar glukosa darah menjadi naik sehingga kegiatan osmosis tubuh dijalankan dengan membuang kelebihan glukosa ini ke urin. Metabolisme glukosa yang tidak dapat dijalankan menyebabkan tubuh mencari alternatif lain untuk memenuhi kebutuhan energi tubuh. Metabolisme cadangan lemak pun dipilih. Lemak yang tersimpan dirombak (dihidrolisis) menjadi asam lemak dan gliserol. Asam lemak dikatabolisme lebih lanjut dengan dilepaskannya 2 atom karbon 1 per 1 yang pada akhirnya dihasilkanlah asetil-KoA yang kemudian masuk ke siklus krebs dan transpor elektron sehingga dihasilkanlah energi. Katabolisme protein menjadi energi akan dilakukan jika sudah tidak tersedia lagi lemak dalam tubuh.Glukosa tidak tersedia dalam sel mengakibatkan glukoneogenesis terjadi berlebihan. Produksi glukosa dari substrat lain ditingkatkan, salah satunya dari perombakan protein. Hasilnya ditransminasi sehingga dihasilkan substrat pembentuk glukosa. Glukoneogenesis ini terus berlangsung terus menerus karena enzim-enzimnya tidak dibatasi oleh insulin. Hal ini menyebabkan pengurangan jumlah jaringan otot dan jaringan adiposa secara signifikan. Berat badan penderita menjadi berkurang diikuti nafsu makan yang meningkat. Glukosa yang dibentuk tetap tidak dapat digunakan sehingga dibuang lagi ke urin.