Jalur metabolisme karbohidrat
Dalam metabolisme karbohidrat, dibedakan beberapa jalur utama yang perlu dikuasai oleh mahasiswa kedokteran pada tingkat substrat, enzim, dan regulasi: glikolisis aerob (jalur HBP, oksidasi dikotomi glukosa), glikolisis anaerob, sintesis dan degradasi glikogen, glukoneogenesis, dan jalur pentosa fosfat (jalur HMP). Semuanya dihubungkan oleh metabolit bersama dan mekanisme pengaturan, yang memungkinkan tubuh untuk beralih secara fleksibel antara penyimpanan dan pengeluaran energi.
Nama proses yang sama dapat berbeda dalam buku teks yang berbeda: jalur HBP, oksidasi dikotomi, dan glikolisis aerob adalah sinonim; jalur pentosa fosfat dan jalur heksosa monofosfat juga hal yang sama.
Glikolisis: Varian Aerob dan Anaerob
Glikolisis adalah pemecahan molekul glukosa (C6) menjadi dua molekul piruvat (C3). Proses ini berlangsung di dalam sitoplasma dan meliputi 10 reaksi, yang dibagi menjadi dua tahap:
- Tahap persiapan — membutuhkan 2 molekul ATP; menghasilkan dua fosfotriosa: dioksiaseton fosfat (DAP) dan gliseraldehida-3-fosfat (GAP). Keduanya adalah isomer dan mudah saling berubah.
- Tahap sintesis ATP — gliseraldehida-3-fosfat (×2) diubah menjadi piruvat dengan pembentukan ATP dan NADH.
Pada glikolisis aerob, piruvat masuk ke mitokondria, di mana melalui dekarboksilasi oksidatif dan siklus Krebs terbentuk asetil-KoA; koenzim tereduksi NADH dan FADH₂ mentransfer elektron ke ETP, menghasilkan total sekitar 38 ATP.
Pada glikolisis anaerob, oksigen tidak mencukupi atau mitokondria tidak ada. NADH tidak dapat teroksidasi dalam ETC, sehingga ia mentransfer hidrogen ke piruvat: terbentuklah laktat di bawah aksi laktat dehidrogenase. Glikolisis anaerob khas untuk eritrosit dan lensa mata (tidak memiliki mitokondria), miokardium selama iskemia (infarkt), tumor yang tumbuh cepat, dan otot rangka yang bekerja secara intensif.
Glukoneogenesis dan Metabolisme Glikogen
Glukoneogenesis — sintesis glukosa dari zat non-karbohidrat: laktat, gliserol, asam amino. Fungsi utamanya adalah mempertahankan kadar glukosa darah (normal 3,3–5,5 mmol/L) selama kelaparan. Glikolisis dan glukoneogenesis adalah proses resiprokal; keduanya dibedakan oleh enzim pengatur yang mengkatalisis reaksi ireversibel (3 enzim pada glikolisis, 4 pada glukoneogenesis). Reaksi reversibel bersifat umum untuk kedua jalur tersebut.
Glikogen adalah karbohidrat cadangan pada hewan, disimpan di hati dan otot. Glikogen sintase bertanggung jawab atas sintesisnya (aktif saat asupan makanan), glikogen fosforilase — untuk degradasinya (aktif saat kelaparan).
Jalur Pentosa Fosfat
Jalur pentosa fosfat adalah jalur oksidasi alternatif glukosa yang aktif terjadi di hati, jaringan adiposa, korteks adrenal, eritrosit, kelenjar susu yang sedang laktasi, dan testis. Meliputi tahap oksidatif dan non-oksidatif.
Pada tahap oksidatif, glukosa-6-fosfat di bawah aksi glukosa-6-fosfat dehidrogenase (enzim pengatur kunci) dan 6-fosfoglukonat dehidrogenase diubah menjadi ribulosa-5-fosfat dengan pembentukan dua molekul NADPH dan pelepasan CO₂.
Signifikansi biologis dari produk-produk tersebut:
- Ribosa-5-fosfat — substrat untuk sintesis nukleotida.
- NADPH — donor hidrogen dalam reaksi anabolik: sintesis kolesterol, asam empedu, asam lemak, hormon steroid; perlindungan sel terhadap spesies oksigen reaktif melalui sistem glutathion.
Dalam tahap non-oksidatif, epimerase, isomerase, transketolase (koenzim TPP, turunan vitamin B₁) dan transaldolase berpartisipasi; terjadi penataan ulang kerangka karbon dengan kembalinya ke heksosa.
Hubungan Metabolisme Karbohidrat dan Lipid
Hubungan kedua metabolisme ini terwujud pada tingkat metabolit bersama:
- Dioksiaseton fosfat — zat penghubung utama. Dari zat ini, gliserol-3-fosfat direduksi (enzim gliserol-3-fosfat dehidrogenase, koenzim NADH) — dasar untuk sintesis triasilgliserol (lemak).
- Asetil-KoA, yang terbentuk selama dekarboksilasi oksidatif piruvat, adalah substrat awal untuk sintesis asam lemak.
- NADPH dari jalur pentosa fosfat diperlukan sebagai agen pereduksi dalam reaksi sintesis asam lemak dan kolesterol.
- ATP dari glikolisis menyediakan energi untuk proses biosintesis.
Sintesis triasilgliserol dalam adiposit: gliserol-3-fosfat secara berurutan diasilasi (sisa asam lemak melekat — asil), asam fosfatidat terbentuk, kemudian fosfatase memotong gugus fosfat, dan sisa asil ketiga melekat pada gugus OH bebas.
Regulasi Hormonal: Periode Absorptif dan Pasca-absorptif
Pada periode absorptif (setelah makan) ketika glukosa darah meningkat, insulin dilepaskan. Efeknya:
- Penyisipan transporter GLUT-4 ke dalam membran adiposit dan miosit — masuknya glukosa ke dalam jaringan yang bergantung pada insulin.
- Aktivasi enzim glikolisis (heksokinase, fosfofruktokinase, piruvat kinase).
- Aktivasi glikogen sintase — sintesis glikogen.
- Induksi glukosa-6-fosfat dehidrogenase — peningkatan jalur pentosa fosfat dan pembentukan NADPH.
- Aktivasi enzim sintesis asam lemak dan triasilgliserol.
Pada periode pasca-absorptif (kelaparan), hormon kontra-regulator mendominasi — glukagon, adrenalin, kortisol. Hormon-hormon ini mengaktifkan glikogen fosforilase (degradasi glikogen), glukoneogenesis, dan lipolisis, memastikan pemeliharaan kadar glukosa darah dan mobilisasi substrat energi.
Poin-Poin Utama
- Glikolisis — 10 reaksi di sitoplasma; glukosa (C6) dipecah menjadi 2 molekul piruvat (C3).
- Glikolisis anaerob berakhir dengan pembentukan laktat dengan partisipasi laktat dehidrogenase; khas untuk eritrosit, lensa, miokardium yang mengalami iskemia, tumor.
- Dioksiaseton fosfat — penghubung utama metabolisme karbohidrat dan lipid: gliserol-3-fosfat terbentuk darinya untuk sintesis triasilgliserol.
- Asetil-KoA dari glikolisis — substrat untuk sintesis asam lemak; NADPH dari jalur pentosa fosfat — donor hidrogen untuk sintesis ini.
- Glukosa-6-fosfat dehidrogenase — enzim pengatur kunci dari jalur pentosa fosfat; produknya adalah NADPH dan ribosa-5-fosfat.
- Glukoneogenesis menggunakan substrat yang sama seperti glikolisis, tetapi 4 enzim pengatur unik mengkatalisis reaksi ireversibel ke arah yang berlawanan.
- Insulin mengaktifkan sintesis (glikogen, lemak, protein) dan pemanfaatan glukosa; glukagon dan adrenalin — mobilisasi cadangan energi.
- Kadar normal glukosa darah adalah 3,3–5,5 mmol/L; pemeliharaannya dipastikan oleh keseimbangan glikogenolisis, glukoneogenesis, dan asupan glukosa dari makanan.