Homeostasis Dalam Metabolisme Makromolekul

Kehidupan sel ditandai dengan adanya aktivitas sel seperti tumbuh, bertambah banyak, dan memperlihatkan fungsi spesifik sel yang menjadi tugasnya. 

Aktivitas sel akan berlangsung dengan baik manakala sel mempunyai cukup energi, ditunjang dengan situasi lingkungan internal dan eksternal yang relatif stabil, di mana sel dan lingkungannya mempunyai kandungan elektrolit dan keasaaman yang relatif menetap (homeostasis). Untuk itu diperlukan suatu mekanisme agar homeostasis tetap terjaga

Dengan demikian untuk mempertahankan keadaan kondisi sel yang sehat diperlukan lingkungan yang relatif tetap (homeostatis) dan untuk itu diperlukan kerja sistem tubuh yang normal pula. 

1. Glikolisis

Glikolisis merupakan jalur, dimana pemecahan D-glukosa yang dioksidasi menjadi piruvat yang kemudian dapat direduksi menjadi laktat. Jalur ini terkait dengan metabolisme glikogen lewat D-glukosa 6-fosfat. Glikolisis bersangkutan dengan hal-hal berikut :

1. Pembentukan ATP dalam rangkaian ini molekul glukosa dioksidasi sebagian.
2. Produksi piruvat.
3. Pembentukan senyawa antara bagi proses-proses biokimiawi lain misalnya, gliserol 3-fosfat. Untuk biosintesis trigliserid dan fosfolipid, 2, 3–bisfosfogliserat dalam eritrosit, piruvat untuk biosintesis L–alanin, dan sebagainya.

Glikolisis dapat berlangsung dalam keadaan aerob, bila sediaan oksigen cukup untuk mempertahankan kadar NAD+ yang diperlukan, atau dalam keadaan anaerob (hipoksik), bila kadar NAD+ tidak dapat dipertahankan lewat sistem sitokrom mitokondrial dan bergantung pada usaha temporer perubahan piruvat menjadi laktat. Glikolisis anaerob, yang menaruh kepercayaan temporer pada piruvat merupakan usaha tubuh dalam menantikan pulihnya kecukupan oksigen. Dengan demikian glikolisis merupakan keadaan ini disebut hutang oksigen.

Pembentukan piruvat mengakhiri proses glikolisis aerob. Berikut ini adalah pokok yang terjadi dalam oksidasi satu molekul glukosa :

1. Terbentuk dua molekul piruvat.

2. Dua molekul NAD+ telah direduksi menjadi NADH

3. Jumlah bersih sebesar dua molekul ADP telah difosforilasi menjadi ATP (empat molekul ATP yang diperoleh dikurangi dua yang dinvestasikan). Contoh proses glikolisis itu sendiri terjadi pada Glikolisis pada sel ragi dan glikolisis pada sel darah merah.

2. Glukoneogenesis
 

Pada dasarnya glukoneogenesis adalah sintesis glukosa dari senyawa bukan karbohidrat, misalnya asam laktat dan beberapa asam amino. Proses glukoneogenesis berlangsung terutama dalam hati. Asam laktat yang terjadi pada proses glikolisis dapat dibawa oleh darah ke hati. Di sini asam laktat diubah menjadi glukosa kembali melalui serangkaian reaksi dalam suatu proses yaitu glukoneogenesis (pembentukan gula baru).
 

Glukoneogenesis yang dilakukan oleh hati atau ginjal, menyediakan suplai glukosa yang tetap. Glukoneogenesis mempunyai banyak enzim yang sama dengan glikolisis, tetapi demi alasan termodinamika dan pengaturan, glukoneogenesis bukan kebalikan dari proses glikolisis karena ada tiga tahap reaksi dalam glikolisis yang tidak reversibel, artinya diperlukan enzim lain untuk reaksi kebalikannya.
 

glukokinase.

1. Glukosa + ATP Glukosa-6-fosfat + ADP

fosfofruktokinase

2. Fruktosa-6-fosfat + ATP fruktosa-1,6-difosfat + ADP 

piruvatkinase

3. Fosfenol piruvat + ADP asam piruvat + ATP 

Enzim glikolitik yang terdiri dari glukokinase, fosfofruktokinase, dan piruvat kinase mengkatalisis reaksi yang ireversibel sehingga tidak dapat digunakan untuk sintesis glukosa. Dengan adanya tiga tahap reaksi yang tidak reversibel tersebut, maka proses glukoneogenesis berlangsung melalui tahap reaksi lain.
 

Tiga reaksi pengganti yang pertama mengubah piruvat menjadi fosfoenolpiruvat (PEP), jadi membalik reaksi yang dikatalisis oleh piruvat kinase. Perubahan ini dilakukan dalam 4 langkah. Pertama, piruvat mitokondria mengalami dekarboksilasi membentuk oksaloasetat. Reaksi ini memerlukan ATP (adenosin trifosfat) dan dikatalisis oleh piruvat karboksilase. 

Pada reaksi ini memerlukan biotin untuk aktivitasnya. Oksaloasetat direduksi menjadi malat oleh malat dehidrogenase mitokondria. Pada reaksi ini, glukoneogenesis secara singkat mengalami overlap (tumpang tindih) dengan siklus asam sitrat. Malat meninggalkan mitokondria dan dalam sitoplasma dioksidasi membentuk kembali oksaloasetat. Kemudian oksaloasetat sitoplasma mengalami dekarboksilasi membentuk PEP pada reaksi yang tidak memerlukan GTP (guanosin trifosfat) yang dikatalisis oleh PEP karboksikinase.
 

Reaksi pengganti kedua dan ketiga dikatalisis oleh fosfatase. Fruktosa-1,6-bisfosfatase mengubah fruktosa-1,6-bisfosfat menjadi fruktosa-6-fosfat, jadi membalik reaksi yang dikatalisis oleh fosfofruktokinase. Glukosa-6-fosfatase yang ditemukan pada permulaan metabolisme glikogen, mengkatalisis reaksi terakhir glukoneogenesis dan mengubah glukosa-6-fosfat menjadi glukosa bebas.

Glikolisis dan glukoneogenesis tidak dapat bekerja pada saat yang sama. Oleh karena itu, ATP dan NADH yang diperlukan pada glukoneogenesis harus berasal dari oksidasi bahan bakar lain, terutama asam lemak.
 

Pengaturan Glukoneogenesis Hati dapat membuat glukosa melalui glukoneogenesis dan menggunakan glukosa melalui glikolisis sehingga harus ada suatu sistem pengaturan yang mencegah agar kedua lintasan ini bekerja serentak.

Sistem pengaturan juga harus menjamin bahwa aktivitas metabolik hati sesuai dengan status gizi tubuh yaitu pembentukan glukosa selama puasa dan menggunakan glukosa saat glukosa banyak. Aktivitas glukoneogenesis dan glikolisis diatur secara terkoordinasi dengan cara perubahan jumlah relatif glukagon dan insulin dalam sirkulasi.
 

Bila kadar glukosa dan insulin darah turun, asam lemak dimobilisasi dari cadangan jaringan adipose dan aktivitas -oksidasi dalam hati meningkat. Hal ini mengakibatkan peningkatan konsentrasi asam lemak dan asetil-KoA dalam hati. Karena asam amino secara serentak dimobilisasi dari otot, maka juga terjadi peningkatan kadar asam amino terutama alanin. Asam amino hati diubah menjadi piruvat dan substrat lain glukoneogenesis. 

Peningkatan kadar asam lemak, alanin, dan asetil-KoA semuanya memegang peranan mengarahkan substrat masuk ke glukoneogenesis dan mencegah penggunaannya oleh siklus asam sitrat. Asetil-KoA secara alosterik mengaktifkan piruvat karboksilase dan menghambat piruvat dehidrogenase. Oleh karena itu, menjamin bahwa piruvat akan diubah menjadi oksaloasetat. Piruvat kinase dihambat oleh asam lemak dan alanin, jadi menghambat pemecahan PEP yang baru terbentuk menjadi piruvat.  

3. Glikogenesis
 

Jika kadar glukosa darah dalam batas normal sebagian besar jaringan menggunakan glukosa sebagai sumber energi. Kelebihan glukosa akan disimpan sebagai glikogen. Sintesis glikogen dari glukosa disebut glikogenesis Simpanan glikogen terbatas sehingga kelebihan glukosa yang lain diubah menjadi lemak (lipogenesis). Jika kadar glukosa darah turun, tubuh mengubah glikogen kembali menjadi glukosa (glikogenolisis). Dengan menyeimbangkan metabolisme oksidatif, sintesis glikogen, pemecahan glikogen, dan sintesis lemak, tubuh dapat mempertahankan kadar glukosa darah dalam batas normal.
 

Jika homeostasis gagal dan glukosa darah melebihi kadar kritis (pada diabetes mellitus), kelebihan glukosa akan diekskresi dalam urin. Ekskresi glukosa dalam urin hanya terjadi jika ambang ginjal untuk reabsorbsi glukosa terlampaui.

4. Glikogenolisis
 

Glikogenolisis Adalah suatu proses pembentukan glukosa dari bahan non karbohidrat. Ketika seseorang mengalami intake karbohidrat yang sangat rendah sehingga tidak diimbangi dengan asupan karbohidrat yang cukup, maka tubuh tetap akan membentuk glukosa. Tapi karena tidak ada karbohidrat jadi bahannya bukan karbohidrat tetapi lemak atau protein .
 

Hal ini merupakan salah satu mekanisme tubuh dalam upaya mempertahankan kadar glukosa dalam keadaan normal. untuk vitamin, minral dan air sama sekali tidak bisa digunakan dalam hal ini. Glukosa sangat penting untuk tubuh karena sumber energi utama otak dan sel darah merah.
 

Setelah makan, kadar glukosa akan meningkat, maka mekanisme utamanya adalah terjadi Glikolisis. Sebaliknya Ketika kita makan banyak, maka glukosa harus disimpan agar kadar gula dalam darah tidak meningkat. Bentuk simpanan glukosa di dalam tubuh adalah glikogen.

Penyimpanan kelebihan glukosa maka akan terjadi proses glikogenesis di hati memerlukan insulin dari pancreas. Sebaliknya, dalam keadaan lapar, puasa, aerobik atau exercise, maka kebutuhan glukosa akan meningkat, sehingga simpanan glukosa akan dipecah melalui proses glikogenolisis. ( pembongkaran Glikogen menjadi Glukosa di hati dengan bantuan Adrenalin / Glukagon. Jadi Inti dari metabolisme karbohidrat adalah untuk mempertahankan kadar glukosa dalam keadaan normal. Jadi bisa diartikan bahwa Proses glukoneogenesis ini jelas jelas melibatkan melibatkan Siklus krebs.

5. Siklus krebs

Adalah satu seri reaksi yang terjadi di dalam mitokondria yang membawa katabolisme residu asetyl, membebaskan ekuivalen hidrogen, yang dengan oksidasi menyebabkan pelepasan dan penangkapan ATP sebagai kebutuhan energi jaringan. Residu asetyl dalam bentuk asetyl-KoA (CH3-CO-S-CoA, asetat aktif)

Tujuan Siklus Krebs

Menjelaskan reaksi-reaksi metabolik akhir yang umum terdapat pada jalur biokimia utama katabolisme tenaga. Menggambarkan bahwa CO2 tidak hanya merupakan hasil akhir metabolisme, namun dapat berperan sebagai zat antara, misalnya untuk proses lipogenesis. Mengenali peran sentral mitokondria pada katalisis dan pengendalian jalur-jalur metabolik tertentu, mitokondria berfungsi sebagai penghasil energi.

Fungsi Siklus Krebs

Menghasilkan sebagian besar CO2. Metabolisme lain yang menghasilkan CO2 misalnya jalur pentosa phospat atau P3 (pentosa phospat pathway) atau kalau di harper heksosa monofosfat. Sumber enzym-enzym tereduksi yang mendorong RR ( Rantai Respirasi). Merupakan alat agar tenaga yang berlebihan dapat digunakan untuk sintesis lemak sebelum pembentukan TG untuk penimbunan lemak . Menyediakan prekursor-prekursor penting untuk sub-sub unit yang diperlukan dalam sintesis berbagai molekul. Menyediakan mekanisme pengendalian langsung atau tidak langsung untuk lain-lain sistem enzym.

Daur Siklus Krebs

Glikolisis akan menghasilkan 3 macam molekul: 2 molekul ATP yang langsung menjadi sumber energi, 2 molekul NADH yang akan masuk ke dalam jalur transport elektron untuk menghasilkan ATP, 2 molekul piruvat yang akan masuk ke dalam siklus Krebs, Sebelum masuk ke siklus Krebs, 1 molekul piruvat akan diubah menjadi Asetil-CoA dengan bantuan enzim Pyruvate Dehidrogenase. Pada proses tersebut, satu molekul CO2 dan dan satu atom H akan dilepaskan dari piruvat, serta satu molekul CoA (coenzym A) akan ditambahkan. Atom H akan ditangkap oleh NAD+ dan menghasilkan NADH. Asetil-CoA kemudian masuk ke dalam siklus Krebs dengan langkah sebagai berikut:

a) Asetil akan dilepaskan dari Asetil-CoA, kemudian digabungkan ke oksaloasetat untuk membentuk sitrat dengan penambahan air. Proses tersebut dikatalisasi oleh enzim citrate synthase.
 

b) Sitrat kemudian diubah menjadi isositrat dengan bantuan enzim acotinase.
 

c) Isositrat akan diubah menjadi alfa-ketoglutarat dengan melepaskan satu molekul CO2 dan satu atom H. Atom H akan ditangkap oleh NAD+ untuk membentuk NADH. Proses tersebut dikatalisasi oleh enzim isocitrate dehydrogenase.
 

d) Alfa-ketoglutarat kemudian diubah menjadi suksinil-CoA dengan melepaskan satu molekul CO2 dan satu atom H serta menempelkan satu molekul CoA. Atom H akan ditangkap oleh NAD+ untuk membentuk NADH. Enzim yang berperan adalah alpha-ketoglutarate dehydrogenase.
 

e) Suksinil-CoA lalu diubah menjadi suksinat oleh enzim Succinyl-CoA synthetase. Pada proses ini molekul CoA akan dilepaskan, selain itu terdapat satu atom P yang ikut dalam reaksi dan kemudian akan ditangkap oleh ADP untuk membentuk ATP.
 

f) Langkah selanjutnya adalah perubahan suksinat menjadi Fumarat oleh enzim succinate dehydrogenase. Dua atom H akan dilepaskan dan ditangkap oleh FAD+ untuk membentuk FADH2.

g) Fumarat lalu diubah menjadi malat oleh fumarase dengan penambahan air.

h) Malat kemudian akan diubah kembali menjadi oksaloasetat oleh enzim malate dehydrogenase. Satu atom H dilepaskan pada proses tersebut dan ditangkap oleh NAD+ untuk membentuk NADH.

Hasil akhir dari siklus Krebs saja dari 1 molekul piruvat adalah 3 molekul NADH, 1 molekul FADH2, dan 1 molekul ATP. Namun kalau ditambah NADH yang dihasilkan pada perubahan piruvat menjadi asetil-CoA, maka total NADH yang dihasilkan adalah 4 molekul.

Demikianlah materi Homeostasis Dalam Metabolisme Makromolekul, semoga bermanfaat.