Metabolisme dan Kesehatan: Karbohidrat

Respirasi Aerob

Respirasi aerob adalah pemecahan karbohidrat, terutama glukosa, dengan bantuan oksigen untuk menghasilkan energi dalam bentuk ATP. Proses ini berlangsung di mitokondria sel eukariotik dan merupakan jalur katabolik paling efisien. Respirasi aerob mencakup empat tahap: glikolisis, dekarboksilasi oksidatif, siklus Krebs, dan rantai transpor elektron.

Glikolisis

Glikolisis berlangsung di sitoplasma dan memecah satu molekul glukosa (C₆H₁₂O₆) menjadi dua molekul asam piruvat (C₃H₄O₃) melalui sepuluh langkah enzimatik. Prosesnya tidak memerlukan oksigen sehingga dapat berlangsung baik dalam kondisi aerob maupun anaerob.

• Tahap persiapan (investasi energi): glukosa difosforilasi menjadi glukosa-6-fosfat oleh heksokinase, diisomerisasi menjadi fruktosa-6-fosfat, lalu difosforilasi lagi menjadi fruktosa-1,6-bifosfat oleh fosfofruktokinase. Tahap ini memakai dua molekul ATP dan menjadi titik pengendalian utama glikolisis.
• Tahap pemecahan: fruktosa-1,6-bifosfat dipecah oleh aldolase menjadi dihidroksiaseton fosfat (DHAP) dan gliseraldehida-3-fosfat (G3P); DHAP kemudian diubah menjadi G3P sehingga terbentuk dua molekul G3P.
• Tahap penghasilan energi: G3P dioksidasi menjadi 1,3-bifosfogliserat sambil mereduksi NAD⁺ menjadi NADH, lalu melalui fosforilasi tingkat substrat dihasilkan ATP hingga terbentuk piruvat oleh enzim piruvat kinase.

Hasil bersih glikolisis adalah dua molekul asam piruvat, dua molekul NADH, dan dua molekul ATP. Jika oksigen tersedia, piruvat masuk ke mitokondria untuk diproses lebih lanjut; jika tidak, piruvat mengalami fermentasi. Banyak senyawa antara glikolisis juga dipakai untuk sintesis asam amino, nukleotida, dan lipid.

Dekarboksilasi Oksidatif

Sebelum memasuki siklus Krebs, piruvat diangkut ke matriks mitokondria dan mengalami dekarboksilasi oksidatif oleh kompleks enzim piruvat dehidrogenase. Satu gugus karboksil dilepaskan sebagai CO₂, gugus asetil yang tersisa berikatan dengan koenzim A membentuk asetil-KoA, dan NAD⁺ direduksi menjadi NADH.

Untuk setiap molekul glukosa dihasilkan dua asetil-KoA, dua NADH, dan dua CO₂. Aktivitas piruvat dehidrogenase diatur ketat: konsentrasi ATP yang tinggi menghambatnya, sedangkan ADP dan NAD⁺ yang tinggi mengaktifkannya.

Siklus Krebs

Siklus Krebs atau siklus asam sitrat berlangsung di matriks mitokondria dan mengoksidasi asetil-KoA menjadi CO₂ sambil menghasilkan pembawa elektron berenergi tinggi. Siklus diawali dengan kondensasi asetil-KoA dan oksaloasetat menjadi sitrat, diikuti isomerisasi menjadi isositrat, dua kali dekarboksilasi oksidatif (menghasilkan α-ketoglutarat lalu suksinil-KoA), pembentukan GTP, oksidasi suksinat menjadi fumarat, hidrasi menjadi malat, dan oksidasi malat kembali menjadi oksaloasetat.

• Setiap satu asetil-KoA menghasilkan 3 NADH, 1 FADH₂, 1 GTP (setara ATP), dan 2 CO₂, serta meregenerasi oksaloasetat.
• Karena satu glukosa menghasilkan dua asetil-KoA, siklus berputar dua kali sehingga totalnya 6 NADH, 2 FADH₂, 2 GTP, dan 4 CO₂.
• Siklus Krebs juga menyediakan senyawa antara untuk sintesis asam amino dan asam lemak, serta diperlambat ketika kadar ATP tinggi.

Rantai Transpor Elektron

Rantai transpor elektron adalah tahap akhir respirasi aerob yang berlangsung di membran dalam mitokondria. NADH menyerahkan elektron pada kompleks I dan FADH₂ pada kompleks II, lalu elektron dibawa koenzim Q ke kompleks III, diteruskan sitokrom c ke kompleks IV, dan akhirnya diterima oksigen sebagai akseptor elektron terakhir untuk membentuk air.

Perpindahan elektron memompa proton ke ruang antarmembran dan menciptakan gradien proton. Enzim ATP sintase memanfaatkan aliran balik proton untuk menyusun ADP dan fosfat anorganik menjadi ATP melalui fosforilasi oksidatif. Setiap NADH menghasilkan sekitar 2,5 ATP dan setiap FADH₂ sekitar 1,5 ATP, sehingga satu molekul glukosa menghasilkan sekitar 30–32 ATP. Racun seperti sianida dan karbon monoksida (kompleks IV), rotenon (kompleks I), serta antimisin A (kompleks III) dapat menghentikan proses ini.

Respirasi Anaerob

Respirasi anaerob adalah penguraian glukosa tanpa oksigen. Energinya jauh lebih kecil daripada respirasi aerob, tetapi tetap penting ketika oksigen tidak tersedia. Terdapat dua jalur utama, yaitu fermentasi alkohol dan fermentasi asam laktat.

Fermentasi Alkohol

Fermentasi alkohol terjadi terutama pada ragi dan beberapa bakteri. Diawali glikolisis yang menghasilkan piruvat, ATP, dan NADH, kemudian piruvat mengalami dekarboksilasi oleh piruvat dekarboksilase menjadi asetaldehida sambil melepaskan CO₂, lalu asetaldehida direduksi menjadi etanol oleh alkohol dehidrogenase sekaligus meregenerasi NAD⁺.

• Hasil per molekul glukosa: 2 etanol, 2 CO₂, 2 ATP, dan regenerasi NAD⁺ agar glikolisis terus berjalan.
• Aplikasinya terlihat pada produksi minuman beralkohol serta pembuatan roti, di mana CO₂ membuat adonan mengembang dan etanol menguap saat pemanggangan.

Fermentasi Asam Laktat

Fermentasi asam laktat terjadi pada sel otot manusia saat aktivitas fisik intens dengan suplai oksigen terbatas, serta pada bakteri asam laktat seperti Lactobacillus. Setelah glikolisis, piruvat langsung direduksi menjadi asam laktat oleh laktat dehidrogenase menggunakan NADH, sehingga NAD⁺ diregenerasi dan tidak dihasilkan CO₂.

• Hasil per molekul glukosa: 2 asam laktat, 2 ATP, dan regenerasi NAD⁺.
• Pada otot, penumpukan asam laktat menimbulkan kelelahan dan nyeri; setelah oksigen tersedia kembali laktat diubah menjadi piruvat atau dibawa ke hati untuk glukoneogenesis.
• Dalam industri pangan, fermentasi asam laktat menghasilkan yogurt, keju, sauerkraut, dan kimchi.