Metabolism loves to convert energy: Glycolysis

Halo, teman-teman, nama saya Adenoshua ingin berkenalan dengan kalian nih mengenai metabolisme tubuh. Namun, saya yakin banget kalau teman-teman sudah mengerti arti dari anabolisme dan katabolisme. Nah, yang sekarang saya mau bahas adalah proses katabolisme di dalam sel eukariot. Katabolisme adalah proses menguraikan senyawa kompleks menjadi senyawa sederhana dengan tujuan untuk mengambil energi yang ada. Mungkin teman-teman perlu benar-benar paham deh apa sih yang digunakan dalam sel untuk melakukan proses ekstraksi energi yang ada di senyawa kompleks tersebut.

Nah pertama-tama perkenalkan teman dekatnya Adenoshua yaitu Adenosin

polifosfat. Adenosine polifosfat terbagi menjadi adenosine trifosfat, difosfat, dan monofosfat. Kalau kita lihat strukturnya nih, ada basa nitrogen yang termodifikasi yaitu adenosine, gula ribosa, dan ada gugus fosfat yang terhubunga oleh ikatan fosfodiester. Satu ikatan fosfodiester ini menyimpan energi yang cukup besar yaitu sekitar 30,5 kJ/mol. Satu ikatan yang putus akan melepaskan energi sebanyak kurang lebih seperti itu. Kenapa satu ikatan yang simple bisa mengeluarkan energi sebanyak itu yah??? Ooopps ada alasannya, bukan karena “ya emang begitu”, tapi karena pada dasarnya gugus fosfat bermuatan negatif, sehingga jika dua buah gugus fosfat dipaksa untuk membentuk ikatan, maka diperlukan untuk energi yang besar untuk membentuk ikatan tersebut sambil melawan gaya tolak muatan negatif tersebut. Jika pake logika ya itu seperti kita memberi gaya untuk menahan pegas yang ingin mencuat keluar meregang. Sehingga, urutan dari yang paling tinggi kandungan energinya adalah ATP, ADP, dan AMP. Namun, kenapa digunakan ATP sebagai ‘uang’ energi dalam tubuh? Hal ini karena tubuh teman-teman harus menangkap energi sesaat setelah reaksi kimiawi yang memecah senyawa kompleks agar tidak terbuang sia-sia sebagai panas, agar energi yang ada bisa disimpan, dan mudah untuk diakses di mana-mana di dalam tubuh. Semua aktivitas sel hingga organisme menggunakan miliaran ATP setiap detiknya. Untuk itu, apabila teman-teman sudah paham akan ATP sebagai ‘duit’ energi, so let’s go to the next level of knowledge!

Pertama, pernahkan teman-teman berpikir kenapa kita harus melalui sekian banyaknya dan rumitnya proses katabolisme dalam tubuh dalam menghasilkan energi. Nah, pada dasarnya sel terevolusikan untuk mengekstraksi energi dari senyawa organik secara efisien. Bisa dibayangkan ga kalau misalnya tubuh kita hanya memiliki langkah yang sederhana dalam mengekstraksi energi, seperti pembakaran bensin untuk menggerakkan piston sepeda motor. Maka, energi yang dihasilkan tidak bisa digunakan dengan efisien karena langkah yang terlalu singkat. Sebenarnya semua senyawa berenergi memiliki batas energi awal untuk melakukan penyusunan kembali molekul untuk menhasilkan senyawa yang lebih stabil dan rendah energi. Energi awal yang perlu dilewati itu dinamakan energi aktivasi. Contohnya teman-teman adalah kita harus menambahkan energi panas pada korek api agar bisa terbakar. Konsep ini tidak bisa digunakan pada sel karena melewati energi aktivasi dengan penambahan energi panas akan mematikan sel. Selain itu, energi aktivasi yang dilewati dengan penambahan panas akan memicu pelepasan energi dalam jumlah yang besar dan tidak dapat ditampung oleh sel. Untuk itulah, diperlukan molekul yang menurunkan energi aktivasi dari senyawa berenergi tinggi yang dinamakan sebagai mister Enzim. Enzim inilah yang membantu mempercepat reaksi tanpa diperlukan adany tambahan energi panas. Enzim adalah protein yang memiliki sisi aktif dan sisi alosterik. Sisi aktif merupakan daerah kerja dari enzim terhadap reaksi kimia. Sisi alosterik berfungsi sebagai tempat melekatnya inhibitor yang akan mengubah struktur dari enzim tersebut sehingga menjadi tidak berfungsi.

Let’s head on to our main dish! Nah sesaat setelah glukosa ditarik oleh sel, maka di sitoplasma terjadi proses pengolahan glukosa tahap pertama yaitu glikolisis. Dari bahasa kita bisa tau kalo itu adalah proses memecah glukosa untuk tahap pengolahan lebih lanjut. Nah, kenapa memerlukan glikolisis, karena glikolisis dikategorikan sebagai proses dalam ekstraksi energi dari glukosa yang paling tua dalam semua organisme. Nah, teman-teman agak simmak ya proses berikut karena akan dijabarkan dengan sedikit mendalam.

1. Tujuan utama dari proses glikolisis adalah membuat glukosa menjadi senyawa yang mudah diekstraksi energi dengan mekanisme oksidasi repetitif. Maksudnya adalah agar senyawa hasil glikolisis mampu diambil elektronnya untuk reaksi redoks yang menghasilkan energi. Nah, kita kan tau kalau proses redoks atau transfer elektron dari senyawa yang potensial redoks nya tinggi ke rendah akan menghasilkan energi. Sehingga reaksi redoks nantinya akan sangat diperlukan. Untuk itulah, proses glikolisis ini ada di dalam organisme sel. Jadi, semua senyawa organik yang akan diekstraksi energi perlu diubah terlebih dahulu menjadi glukosa atau senyawa intermediat di dalam reaksi oksidasi biologis.

2. Langkah pertama dari glikolisis adalah fase investasi energi. Fase ini dilakukan degnan penambahan gugus fosfat ke dalam molekul glukosa oleh enzim heksokinase menggunakan ATP. Gugus fosfat ini ditaruh di gula karbon keenam. Senyawa ini dinamakan sebagai glukosa-6-fosfat. Karena glukosa ini bermuatan negatif, maka sulit sekali glukosa yang sudah difosforilasi untuk keluar dari sel lagi. Proses fosforilasi ini meingkakan kereaktifan dari glukosa untuk nantinya diperlukan pada saat proses redoks atau transfer elektron.

3. Proses fosforilasi oleh ATP ini kemudian dilanjutkan dengan isomerase gula menjadi fruktosa oleh enzim fosfoglukoisomerase. Isomerasi ini berfungsi untuk memecah fruktosa nantinya menjadi dua bagian simetris yang berisomerasi satu sama lainnya. Senyawa isomer adalah senyawa yang memiliki rumus struktur yang sama, namun memiliki bentuk susunan molekul yang berbeda. Contoh: glukosa dan galaktosa adalah gula yang saling berisomerasi karena rumus strukturnya C6H12O6, namun glukosa memiliki gugus hidroksil dengan atom hidrogen yang saling berkebalikan posisi di karbon kedua. Senyawa yang dihasilkan pada proses ini adalah fruktosa-6-fosfat.

4. Fruktosa-6-fosfat ini kemudian difosforilasi lebih lanjut oleh enzim fosfofruktokinase. Fosforilasi ini lebih meningkatkan kereaktifan dari senyawa. Gugus fosfat ini ditam bahkan pada gula karbon pertama. Penambahan fosfat pada gula pertama adalah untuk memicu kesimetrisan pada gula fruktosa, dan juga menambah gaya tolakan pada sisi simetris yang berbeda karena dua gugus fosfat negatif. Hasil senyawa yang terbentuk adalah fruktosa-1,6-bifosfat. Ini lebih menambah kemungkinan bahwa senyawa yang terbentuk ini bisa dipecah menjadi senyawa yang lebih kecil lagi.

5. Kemudian, senyawa berkarbon enam ini dipecah oleh enzim aldolase menjadi dua senyawa yang isomer, yaitu mister-mister gliseraldehid-3-fosfat dan dihidroksiasetonfosfat. Teman-teman, jangan dihapal mati penamaan senyawa ini, gunakan kemampuan spasial kimia untuk penamaan, contohnya kita tau kalau gliseraldehid-3-fosfat merupakan gliserol yang mengandung gugus aldehid dan gugus fosfat di karbon ketiga dihitung dari karbon dalam gugus aldehid. Sedangkan senyawa dihidroksiasetonfosfat merupakan senyawa aseton yang memiliki dua gugus hidroksil di ujung karbon dengan adanya penempelan gugus fosfat. Keduannya bisa saling berisomerasi dengan enzim isomerase tergantung pada mana senyawa yang lebih dibutuhkan oleh sel.

6. Untuk Gliseraldehid-3-fosfat, dia akan mengalami oksidasi yang pertama kalinya pada pada gugus aldehid menjadi gugus karboksilat fosfat (COO-P) karena oksidasi gugus aldehid mengeluarkan energi yang lumayan besar sehingga tanpa menggunakan energi ATP masih bisa ditambahkan gugus fosfat yang bebas di ujungnya dengan energi sisa oksidasi tersebut.

Peristiwa tersebut menghasilkan molekul 1,3-bifosfogliserat, yaitu senyawa dengan dua gugus fosfat di karbon satu dan ketiga di molekul utama gliserat (gliserol karboksilat). Elektron yang dilepaskan akan ditangkap oleh senyawa yang potensial redoksnya lebih tinggi yaitu nikotinamida adenin dinukleotida (NAD+) untuk direduksi menjadi NADH. NAD+ adalah carrier elektron hasil oksidasi untuk dipanen energinya pada proses nanti. Enzim yang mengkatalis proses perubahan gliseraldehid-3-fosfat menjadi 1,3-bifosfogliserat adalah enzim triosa fosfat dehidrogenase.

7. Lalu, teman-teman, pada bagian ini terjadi fase panen energi dimana adanya defosforilasi senyawa 1,3-bifosfogliserat menjadi senyawa 3-fosfogliserat. Pengambilan gugus fosfat dari karbon pertama pada molekul gliserat akan memfosforilasi ADP menjadi ATP. Energi yang diperoleh untuk mengubah ADP menjadi ATP adalah energi potensial dari gugus fosfat yang menempel. Proses ini dikatalis oleh enzim fosfogliserokinase.

8. Selanjutnya, 3-fosfogliserat akan mengalami mutasi gugus fosfat dari karbon ketiga menjadi karbon kedua. Hal ini mempermudah kepada bagian karbon ujung untuk bisa bereaksi pada peristiwa nantinya. Perubahan mutasi gugus fosfat dikatalis oleh enzim fosfogliseromutase.

9. Senyawa 2-fosfogliserat didehidrasi oleh enzim enolase sehingga kehilangan satu molekul air. Hal ini bertujuan untuk membantu menciptakan ikatan rangkap tambahan. Hasil senyawa dehidrat ini dinamakan sebagai fosfoenolpiruvat. Fosfoenolpiruvat juga memudahkan proses oksidasi pada peristiwa selanjutnya.

10. Senyawa fosfoenolpiruvat dipanen energinya karena adanya pelepasan gugus fosfat untuk memfosforilasi ADP menjadi ATP. Senyawa yang terakhir terbentuk pada proses ini adalah piruvat sebagai produk akhir dari glikolisis. Piruvat kemudian bisa digunakan untuk diekstraksi lebih lanjut energinya dengan atau tanpa menggunakan oksigen.

Nah, kalau kita rangkum kembali apa yang dibutuhkan dan dihasilkan dalam proses glikolisis. Maka, hasilnya adalah glikolisis satu molekul glukosa akan membutuhkan 2 molekul ATP, 4 molekul ADP, dan 2 molekul NAD+. Yang dihasilkan dari proses ini adalah 2 molekul ADP, 4 molekul ATP, dan 2 molekul NADH. Ingat bahwa terjadi perpecahan fruktosa-1,6-bifosfat menjadi gliseraldehid-3-fosfat dan dihidroksiasetonfosfat dengan anggapan bahwa kedua senyawa tersebut terus digunakan ke dalam proses glikolisis, sehingga akan ada satu fase investasi energi dengan dua fase panen energi. Perlu diketahui juga teman-teman kalau kandungan energi dari glukosa hingga menjadi piruvat sudah mulai berkurang dalam jumlah yang signifikan melalui tahapan glikolisis tersebut. Setiap tahapan yang reversible atau reaksi yang dapat terbalik bergantung pada jumlah energi yang hilang atau tambah.

Nah, perjalanan ekstraksi energi dari glukosa belum selesai sampai disini teman-teman. Perjalanan masih cukup panjang. Namun, perjalanan disini dibagi menjadi dua jalur yang berbeda. Yang satu adalah ketika oksigen tersedia dan yang jalur lain adalah ketika tidak ada oksigen yang tersedia. Adenoshua akan membahas tentang jalur yang membutuhkan oksigen. Jalur ini akan dibahas secara mendalam seperti halnya pada saat jalur glikolisis tadinya teman-teman. Di pahami ya….

Perjalanan berlanjut di mitokondria pada bagian jalur yang dinamakan sebagai proses dekarboksilasi oksidatif

Bersambung...

Referensi:

Campbell, Neil A and Jane B Reece. Biology. 9th ed. San Francisco: Pearson, Benjamin Cummings, 2012. Print.

Madigan, Michael T and Thomas D Brock. Brock Biology Of Microorganisms. Boston [Mass.]: Benjamin Cummings, 2012. Print.

Voet, Donald, Judith G Voet, and Charlotte W Pratt. Fundamentals Of Biochemistry. New York: Wiley, 1999. Print.