1. Metabolisme Karbohidrat
Karbohidrat digolongkan menjadi tiga macam, berturut-turut dari molekul terbesar: polisakarida, oligosakarida, dan monosakarida. Glukosa dan fruktosa merupakan monosakarida dengan formula C6H12O6, tetapi pengaturan atomnya berbeda. Karbohidrat atau amilum dipecah oleh enzim karbohidrase (amilase) menjadi maltose (disakarida). Ooleh enzim maltase, maltosa diubah menjadi 2 molekul glukosa yang dapat masuk tahap glikolisis pada respirasi sel.
a. Respirasi Sel
Respirasi, yaitu reaksi oksidasi senyawa organik untuk menghasilkan energi dalam bentuk ATP atau senyawa berenergi tinggi lainnya, yang digunakan untuk aktivitas sel dan kehidupan makhluk hidup.
Proses respirasi diawali dengan penangkapannya O2 dari lingkungan. Proses transport gas-gas dalam tumbuhan secara keseluruhan berlangsung secara difusi. Oksigen yang digunakan dalam respirasi masuk kedalam setiap sel tumbuhan dengan jalan difusi melalui ruang antar sel, dinding sel, sitoplasma, dan membran sel. Demikian juga halnya dengan CO2 yang dihasilkan respirasi akan berdifusi keluar sel dan masuk ke dalam ruang antar sel. Hal ini karena membran plasma dan protoplasma sel tumbuhan sangat permeabel bagi kedua gas tersebut. Setelah mengambil O2 dari udara, O2 kemudian digunakan dalam proses respirasi dengan beberapa tahapan, yaitu glikosis, dekarboksilasi oksidatif, siklus asam sitrat, dan transpor elektron.
Secara sederhana, reaksi kimia dari respirasi adalah sebagai berikut.
C6H12O6 + 6O2 6H2O + 6CO2 + energy Berdasarkan kebutuhannya akan oksigen, respirasi dibagi menjadi dua, yaitu respirasi aerob dan respirasi anaerob.
| No. | Aerob | Anaerob |
| 1. | Umumnya terjadi | Hanya pada kondisi tertentu |
| 2. | Energi yang dihasilkan besar | Energi yang dihasilkan kecil |
| 3. | Memerlukan O2 | Tidak perlu O2 |
| 4. | Penguraian bahan organiknya lengkap | Penguraian bahan organiknya tidak lengkap |
| 5. | Hasil akhir berupa CO2 dan H2O | Hasil akhir berupa alkohol |
Tahapan-tahapan respirasi sebagai berikut.
1) Glikolisis
Glikolisis, yaitu tahapan pengubahan glukosa menjadi dua molekul asam piruvat (beratom C3), peristiwa ini belangsung di sitosol. Asam piruvat yang dihasilkan selanjutnya akan diproses dalam tahap dekarboksilasi oksidatif. Selain itu glikolisis juga menghasilkan 2 molekul ATP sebagai energi, dan 2 molekul NADH yang akan digunakan dalam tahap transfer electron.
2) Reaksi Antara (Dekarboksilasi Oksidatifi)
Setelah glikolisis terjadi reaksi antara (dekarboksilasi oksidatif), yaitu pengubahan asam piruvat (beratom C3) menjadi Asetil KoA (beratom C2) dengan melepaskan CO2, peristiwa ini berlangsung di sitosol. Asetil KoA yang dihasilkan akan diproses dalam siklus asam sitrat. Hasil lainnya yaitu NADH yang akan digunakan dalam transport elektron.
3) Siklus Krebs
Siklus Krebs disebut juga daur asam sitrat karena asam sitrat merupakan senyawa antara yang penting, disebut juga daur trikarboksilat (TCA). Siklus Krebs terjadi di dalam matriks dan membran dalam mitokondria, yaitu tahapan pengolahan asetil KoA dengan senyawa asam sitrat sebagai senyawa yang pertama kali terbentuk. Beberapa senyawa dihasilkan dalam tahapan ini, diantaranya adalah satu molekul ATP sebagai energi, satu molekul FADH dan tiga molekul NADH yang akan digunakan dalam transfer elektron, serta dua molekul CO2.
4) Sistem Transpor Elektron
Sistem transpor elektron, yaitu serangkaian reaksi yang melibatkan sistem karier electron (pembawa elektron). Proses ini terjadi di dalam membrane dalam mitokondria. Dalam reaksi ini electron ditransfer dalam serangkaian reaksi redoks dan dibantu oleh enzim sitokrom, quinon, piridoksin, dan flavoprotein. Reaksi transfer elektron ini nantinya akan menghasilkan H2O.
Dalam keadaan anaerob, asam piruvat hasil glikolisis akan dirubah menjadi karbon dioksida dan etil alkohol. Proses pengubahan ini dikatalisis oleh enzim dalam sitoplasma. Dalam respirasi anaerob jumlah ATP yang dihasilkan hanya dua molekul dalam setiap satu molekul glukosa, hasil ini berbeda jauh dengan ATP yang dihasilkan dari hasil keseluruhan repirasi aerob, yaitu 36 ATP.
Hal ini disebabkan karena respirasi aerob merupakan katabolisme sempurna yang menghasilkan CO2 dan H2O, sedangkan respirasi anaerob menghasilkan karbon yang masih reduktif, misalnya etanol dan asam laktat. Fermentasi etanol dilakukan oleh jamur ragi secara anaerob. Fermentasi asam laktat terjadi pada otot manusia saat melakukan kerja keras dan persediaan O2 kurang mencukupi. Penimbunan asam laktat pada otot menyebabkan elastisitas otot menjadi berkurang dan menimbulkan gejala kram serta kelelahan.
b. Fotosintesis
Fotosintesis, yaitu suatu proses pembentukan bahan organik dari bahan anorganik dengan bantuan cahaya matahari dan klorofil. Fotosintesis berlangsung di dalam kloroplas, stroma, tilakoid, dan grana. Di kloroplas, fotosintesis terjadi di sel-sel palisade dan sel-sel jaringan bunga karang pada mesofil daun.
Fotosintesi terdiri dari dua fase sebagai berikut.
1) Reaksi Fotokimia (Reaksi Terang)
Reaksi fotokimia disebut juga reaksi fotolisis air atau fosforilasi atau Hill. Reaksinya berlangsung di grana, yaitu di membrane tilakoid, menghasilkan ATP, dan NADPH.
H2O H2 + ½ O2 H2 ditangkap oleh suatu akseptor (A) membentuk AH2. AH2 digunakan untuk memfiksasi CO2. Dalam fiksasi molekul CO2 akan menghasilakan O2, diperlukan 2 molekul H2O.
2) Reaksi Termokimia (Reaksi Gelap/ Siklus Calvin)
Reaksi termokimia berlangsung (bukan harus) dalam gelap karena untuk fiksasi CO2, enzim-enzim di sitroma tidak membutuhkan cahaya, tetapi memerlukan ATP dan NADPH.
Berikut adalah beberapa faktor utama yang menentukan laju fotosintesis.
a) Intensitas cahaya
Laju fotosintesis maksimum ketika banyak cahaya.
b) Konsentrasi karbon dioksida
Semakin banyak karbon dioksida di udara, makin banyak jumlah bahan yang dapat digunakan tumbuhan untuk melangsungkan fotosintesis.
c) Suhu
Enzim-enzim yang bekerja dalam proses fotosintesis hanya dapat bekerja pada suhu optimalnya. Umumnya laju fotosintesis meningkat seiring dengan meningkatnya suhu hingga batas toleransi enzim.
d) Kadar air
Kekurangan air atau kekeringan menyebabkan stomata menutup, menghambat penyerapan karbon dioksida sehingga mengurangi laju fotosintesis.
e) Kadar fotosintat (hasil fotosintesis)
Jika kadar fotosintat seperti karbohidrat berkurang, laju fotosintesis akan naik. Bila kadar fotosintat bertambah atau bahkan sampai jenuh, laju fotosintesis akan berkurang.
f) Tahap pertumbuhan
Penelitian menunjukkan bahwa laju fotosintesis jauh lebih tinggi pada tumbuhan yang sedang bekecambah ketimbang tumbuhan dewasa. Hal ini mungkin dikarenakan tumbuhan berkecambah memerlukan lebih banyak enrgi dan makanan untuk tumbuh.
Contoh lain dari proses anabolisme adalah kemosintesis.
Kemosintesis adalah anabolisme dengan bantuan organisme autotrof. Beberapa bakteri berperan dalam kemosintesis, antara lain bakteri belerang yang tidak berpigmen fotosintesis; bakteri-bakteri nitrogen, seperti Nitrosommonas, Nitrosoccocus, dan Nitrobacter. Perbedaannya dengan fotosintesis terletak pada hasil dan sumber energi.
2. Metabolisme Protein
Protein adalah senyawa majemuk yang tersusun atas unsure C, H, O dan N, kadang-kadang juga mengandung unsur S dan P. Protein terdiri atas rangkaian kesatuan-kesatuan kecil yang disebut asam amino. Asam amino berfungsi utama sebagai unit pembangun bagi biosintesis protein. Asam amino dapat mengalami degradasi oksidatif dalam tiga keadaan metabolik yang berbeda, yaitu:
a. Selama putaran dinamik normal, jika tidak dimanfaatkan untuk sintesis protein maka tubuh akan mengalami degradasi oksidatif.
b. Bila dikonsumsi melebihi kebutuhan, akan dikatabolis karena asam amino tidak dapat disimpan.
c. Dimanfaatkan sebagai bahan bakar pada orang yang berpuasa, penderita diabetes mellitus, atau saat karbohidrat tidak tersedia.
Setelah pembebasan gugus amino menjadi α-ketoglutarat, kerangka karbon asam amino akan mengalami penguraian oksidatif menjadi senyawa yang dapat memasuki siklus Krebs, untuk selanjutnya dioksidasi menjadi CO2 dan H2O. Terdapat lima jalur yang dilalui asam amino untuk memasuki siklus Krebs, yaitu:
a. melalui asetil KoA d. melalui furnarat
b. melalui α-ketoglutarat e. melalui oksaloasetat
c. melalui suksinat
Lima asam amino dapat diubah menjadi asetoasetil KoA. Asam amino tersebut dapat menghasilkan senyawa keton di hati karena asetoasetil KoA dapat diubah menjadi asetoasetat dan β-hidroksibutirat. Asam amino ini disebut ketogenik.
Asam amino lainnya dapat diubah menjadi piruvat, α –ketoglutarat, suksinat, dan oksaloasetat, yang kemudian dapat diubah menjadi glukosa dan glikogen oleh lintas metabolisme. Golongan ini disebut asam amino glikogenik. Contohnya alanin, arginin, asparagin, dan asam aspartat. Karbohidrat dan protein adalah senyawa karbon yang teroksidasi. Sedangkan lemak adalah senyawa karbon yang paling tereduksi.
3. Metabolisme Lemak
Lemak merupakan senyawa majemuk, tersusun pula unsur C, H, dan O, tetapi berbeda jumlahnya dari protein. Lemak tersusun oleh komponen asam lemak. Asam lemak menyumbangkan sebagian besar energi oksidatif pada tubuh. Senyawa karbon yang tereduksi lebih banyak menyimpan energi dan jika dibakar sempurna akan membebaskan energi lebih banyak. Hampir semua asam lemak dalam jaringan hewan memiliki jumlah atom karbon yang genap. Menurut Lehninger, ATP diperlukan untuk “mengawali” atau mengaktifkan asam lemak pada gugus karboksilnya oleh suatu reaksi enzimatis. Oksidasi asam lemak di dalam homogenat hati menghasailkan potongan aktif 2 karbon yang dapat memasuki siklus Krebs. Oksidasi asam lemak terjadi di dalam mitokondria sel hati.
Asam lemak di pindahkan ke dalam sitosol melalui dua jalur. Jalur yang pertama, beberapa asam lemak bebas diperoleh melalui darah, terikat pada albumin serum; senyawa ini dibebaskan dan menembus membran sel masuk ke sitosol. Jalur yang kedua adalah pemecahan triasilgliserol sel oleh kelenjar lipase. Asam lemak bebas di dalam sitosol ini tidak dapat langsung memasuki membran mitokondria. Asam lemak bebas pertama-tama diaktifkan oleh esterifikasi dengan KoA, hingga terbentuk ester asli KoA pada membran luar mitokondria. Di dalam matriks, ester asli lemak KoA dibentuk lagi. Asam lemak jenuh memerlukan empat tahap reaksi untuk melepaskan masing-masing residu asetil KoA dari ujung karboksil asli lemak KoA jenuh. Sedangkan untuk asam lemak tak jenuh membutuhkan kerja dua enzim tambahan, yaitu enoil KoA isomerase dan β –hidroksiasil-KoA epimerase. Enzim-Enzim ini diperlukan untuk mengubah stereoisomer D menjadi L molekul 3-hidroksiasil-KoA. Asam lemak dengan karbon ganjil memiliki lintas dasar yang sama, tetapi menghasilkan satu molekul propionil-KoA, yang dikarboksilasi menjadi metilmalonil KoA.
4. Keterkaitan antara Metabolisme Karbohidrat dengan Metabolisme Protein dan Lemak
Katabolisme karbohidrat, protein, dan lemak di dalam tubuh akan bertemu pada siklus Krebs. Hal ini dikarenakan karbohidrat dan lemak dapat menghasilkan asetil KoA yang merupakan bahan baku siklus Krebs. Sedangkan protein masuk melalui asetil KoA dan bagian-bagian dalam siklus Krebs, misalnya oksaloasetat dan α –ketoglutarat. Hal ini menyebabkan karbohidrat, protein, dan lemak dapat saling menggantikan sebagai bahan bakar dalam sel.
Lemak lebih memberikan rasa kenyang dibandingkan dengan protein dan karbohidrat. Hal ini disebabkan karena lemak memiliki kemampuan metabolisme yang lebih besar untuk menghasilkan energi dibandingkan dengan metabolisme karbohidrat dan protein.
