Selasa, 19 Juni 2012
){kind=link}
Metabolisme adalah sekumpulan reaksi kimia di dalam sel organisme yang dilakukan untuk bertahan hidup. Reaksi enzim katalis membuat organisme dapat tumbuh, bereproduksi, berkembang, dan beradaptasi dengan lingkungannya. Istilah “metabolisme” juga dapat merujuk kepada semua reaksi kimia yang terjadi di makhluk hidup, termasuk pencernaan dan transportasi substansi antar sel.
Selengkapnya: Pengertian Metabolisme (Artikel Lengkap)
Metabolisme biasanya dibagi menjadi dua kategori yakni katabolisme yang memecah materi organik dan mendapatkan energi dengan cara respirasi sel, dan anabolisme yang menggunakan energi untuk membentuk komponen sel seperti protein dan asam nukleat.
Reaksi kimia pada metabolisme tersusun menjadi jalur metabolisme, yang mana satu zat kimia berubah dalam beberapa tahap menjadi zat kimia lain, dengan bantuan enzim. Enzim sangat penting dalam metabolisme karena enzim membantu organisme untuk mengendalikan reaksi yang membutuhkan energi. Reaksi tersebut tidak akan terjadi dengan sendirinya. Energi akan dikeluarkan oleh enzim dengan cara membuat suatu reaksi spontan. Enzim bertindak sebagai katalis yang dapat mempercepat suatu reaksi. Enzim juga mengatur jalur metabolisme dengan mengubah suasana sel atau menerima sinyal dari sel lain.
Sistem metabolisme pada organisme tertentu dapat menggunakan racun sebagai nutrisi. Contoh, beberapa jenis organisme prokariotik menggunakan hidrogen sulfat sebagai nutrien, sedangkan gas tersebut beracun bagi hewan. Kecepatan metabolisme dan derajat metabolisme mempengaruhi jumlah makanan yang dibutuhkan oleh suatu organisme dan cara memperolehnya.
Ciri-ciri metabolisme yang paling mencolok adalah kemiripan jalur metabolisme dasar dan komponen di seluruh spesies organisme. Contoh, asam karboksilat yang terdapat pada siklus asam sitrat ada di seluruh organisme mulai dari bakteri uniseluler Escherichia coli dan organisme multiseluler gajah. Kemiripan mencolok dalam jalur metabolisme ini dikarenakan semuanya berasal dari satu kemunculan seperti yang dijelaskan oleh teori evolusi.
1. Kunci Biokimia dalam Metabolisme
Selengkapnya: Sel (Artikel Lengkap) dan Biokimia (Artikel Lengkap)
Kebanyakan struktur yang menyusun hewan, tumbuhan, dan mikroba terdiri dari tiga molekul dasar yaitu asam amino, karbohidrat, dan lipid (sering disebut lemak). Molekul tersebut sangat penting bagi kehidupan. Reaksi metabolisme berfokus untuk memproduksi molekul tersebut selama pembentukan sel dan jaringan atau mencerna sel mati dan menggunakannya sebagai sumber energi. Biokimia dapat bergabung bersama untuk membentuk polimer seperti DNA dan protein. DNA dan protein adalah makromolekul esensial bagi kehidupan.
Jenis Molekul | Nama Monomer yang Membentuknya | Nama Polimer yang Membentuknya | Contoh Polimernya |
Asam amino | Asam amino | Protein (juga disebut polipeptida) | Protein fibrosa dan protein globular |
Karbohidrat | Monosakarida | Polisakarida | Pati, glikogen, dan selulosa |
Asam nukleat | Nukleotida | Polinukleotida | DNA dan RNA |
1.1. Asam Amino dan Protein dalam Metabolisme
Protein terdiri dari asam amino yang tersusun dari rantai linear yang diikat oleh rantai (bond) peptida. Banyak protein yang merupakan enzim yang mengkatalis reaksi kimia dalam metabolisme. Protein yang lain memiliki fungsi struktural dan mekanika, seperti protein yang membentuk sitoskeleton, sebuah sistem kerangka yang membentuk sel. Protein juga penting dalam pemberi sinyal sel, respon imun, adhesi sel, transpor aktif antar membran, dan siklus sel. Asam amino juga berkontribusi dalam metabolisme seluler dengan menyediakan suplai karbon untuk siklus krebs, terutama ketika sumber utama energi seperti glukosa tidak mencukupi.
1.2. Lipid dalam Metabolisme
Lipid adalah sekumpulan biokimia yang paling bermacam-macam. Struktur utamanya digunakan sebagai bagian dari membran biologis baik itu lapisan dalam maupun lapisan luarnya, contohnya adalah membran sel. Lipid juga dapat digunakan sebagai sumber energi. Lemak adalah molekul yang terdiri dari asam lemak dan gliserol. Sebuah gliserol terdiri dari trigliserida. Kolesterol juga merupakan salah satu jenis lipid.
1.3. Karbohidrat dalam Metabolisme
Karbohidrat adalah aldehida atau keton dengan banyak hidroksil yang dapat membentuk rantai lurus atau cincin. Karbohidrat merupakan molekul biologis yang paling melimpah dan memiliki banyak peran seperti penyimpanan, transpor energi (pati dan glikogen), dan komponen struktural (selulosa dalam tumbuhan, kitin dalam hewan). Unit dasar karbohidrat disebut monosakarida yang terdiri dari galaktosa, fruktosa, dan glukosa. Beberapa monosakarida dapat saling berikatan untuk membentuk polisakarida.
1.4. Nukleotida dalam Metabolisme
Dua asam nukleat, DNA dan RNA, adalah polimer dari nukleotida. Masing-masing nukleotida tersusun dari fosfat, gula ribosa (RNA) atau gula deoksiribosa (DNA), dan basa nitrogen. Asam nukleat sangat bermanfaat karena dapat menyimpan, menggunakan, dan menterjemahkan materi genetika melalui proses transkripsi dan sintesis protein. Informasi genetik ini dilindungi oleh mekanisme DNA repair dan diperbanyak melalui replikasi DNA. Banyak virus seperti HIV yang hanya memiliki RNA dan menggunakan transkripsi terbalik untuk membentuk DNA. RNA di ribosom mirip dengan enzim yang dapat mengkatalis reaksi kimia. Nukleosida dibuat dengan mengikat basa nukleat dan gula ribosa. Basa tersebut merupakan cincin heterosiklik yang mengandung nitrogen dan termasuk purin atau pirimidin. Nukleotida juga bertindak sebagai koenzim dalam reaksi transfer metabolik.
1.5. Koenzim dalam Metabolisme
Metabolisme melibatkan susunan reaksi kimia yang banyak. Namun kebanyakan hanya melibatkan beberapa jenis reaksi dasar yang melibatkan transfer atom fungsional dan ikatannya dalam molekul. Beberapa zat kimia dapat membuat sel menggunakan sekumpulan kecil metabolisme intermediet untuk memindahkan sekumpulan zat kimia lain diantara reaksi yang berbeda. Zat kimia yang dapat membuat sel seperti itu disebut koenzim. Masing-masing reaksi transfer dibawa keluar oleh koenzim tertentu. Koenzim tersebut kemudian dibuat, digunakan, dan didaur ulang secara berkelanjutan.
Pusat koenzim disebut adenosina trifosfat (ATP) yang merupakan energi yang dapat digunakan oleh semua jenis sel. Nukleotida tersebut digunakan untuk mentransfer energi kimia diantara reaksi kimia yang berbeda. Hanya ada sedikit ATP di dalam sel, namun selalu beregenerasi. Tubuh manusia dapat menggunakan ATP seberat berat tubuhnya setiap hari. ATP bertindak sebagai jembatan antara katabolisme dan anabolisme. Katabolisme memecah molekul dan anabolisme menyatukannya. Reaksi katabolik membentuk ATP dan reaksi anabolik menggunakannya. ATP juga menjadi pembawa fosfat dalam reaksi fosforilasi.
Vitamin adalah komponen organik yang diperlukan dalam jumlah kecil yang tidak dapat dibuat oleh sel. Dalam nutrisi manusia, kebanyakan fungsi vitamin bertindak sebagai koenzim setelah dimodifikasi. Contoh, semua vitamin yang dapat larut dengan air bersifat fosforilasi atau dapat bergabung dengan nukleotida ketika dibutuhkan di dalam sel. Nikotinamida adenin dinukleotida (NAD+) yang merupakan derivatif dari vitamin B3 (niasin) adalah koenzim penting yang bertindak sebagai aseptor hidrogen. Ratusan tipe dehidrogenesis menghilangkan elektron dari substratnya dan mereduksi NAD+ menjadi NADH. Bentuk tereduksi dari koenzim ini kemudian merupakan substrat untuk semua reduktasi di dalam sel yang perlu mereduksi substratnya.
1.6. Mineral dan Kofaktor dalam Metabolisme
Elemen anorganik berperan penting dalam metabolisme. Beberapa jenis zat anorganik sangat berlimpah seperti sodium dan potasium. Sekitar 99% dari massa mamalia terdiri dari elemen karbon, nitrogen, kalsium, sodium, klorin, potasium, hidrogen, fosfor, oksigen, dan sulfur. Komponen organik (protein, lipid, dan karbohidrat) mengandung mayoritas karbon dan nitrogen. Kebanyakan dari oksigen dan hidrogen muncul sebagai air.
Elemen anorganik yang melimpah bertindak sebagai elektrolit ion. Ion yang paling penting adalah sodium, potasium, kalsium, magnesium, klorida, fosfat, dan ion organik bikarbonat. Gradien ion dijaga supaya tepat dengan melewati membran sel dan menjaga tekanan osmotik dan pH. Ion juga penting untuk fungsi saraf dan otot sebagai potensial aksi di jaringannya. Potensial aksi diciptakan dengan menukar elektrolit diantara cairan ekstraseluler dan cairan sel. Elektrolit masuk dan keluar dari sel melalui protein di membran sel yang disebut kanal ion (ion channels). Contoh, kontraksi otot bergantung pada pergerakan kalsium, sodium, dan potasium melalui kanal ion di dalam membran sel dan tubulus T.
Logam transisi biasanya muncul sebagai elemen sisa di organisme. Seng dan zat besi yang paling melimpah diantara logam transisi. Logam tersebut digunakan dalam beberapa jenis protein sebagai kofaktor dan penting untuk aktivitas enzim seperti katalase dan protein pembawa oksigen (hemoglobin). Kofaktor logam diikat erat di beberapa tempat dalam protein. Meskipun kofaktor enzim dapat diubah selama proses katalis, kofaktor logam selalu kembali ke tempatnya semula setelah reaksi katalis selesai. Mikronutrien logam dapat diambil oleh organisme dengan transporter spesifik dan terikat untuk menyimpan protein, seperti feritin atau metalotionein ketika tidak digunakan.
2. Katabolisme dalam Metabolisme
Katabolisme adalah sekumpulan proses metabolisme yang memecah molekul besar. Katabolisme juga termasuk memecah dan mengoksidasi molekul makanan. Tujuan reaksi katabolisme adalah untuk menyediakan energi dan komponen yang dibutuhkan oleh reaksi anabolik. Sifat reaksi katabolik berbeda di setiap organisme. Organisme dapat diklasifikasikan berdasarkan sumber energi dan karbonnya seperti yang terlihat pada gambar (tabel) dibawah. Molekul organik diperlukan sebagai sumber energi bagi organotrof, sedangkan litotrof menggunakan substrat anorganik dan fototrof menggunakan cahaya matahari sebagai energi kimia. Namun, semua perbedaan bentuk metabolisme bergantung pada reaksi redoks yang melibatkan transfer elektron dari molekul yang tereduksi seperti molekul organik, air, amonia, hidrogen sulfida, atau ion besi ke molekul akseptor seperti oksigen, nitrat, atau sulfat. Pada hewan, reaksi tersebut melibatkan molekul organik kompleks yang terpecah menjadi molekul sederhana seperti karbon dioksida dan air. Dalam organisme fotosintetik seperti tanaman dan sianobakteri, reaksi transfer elektron tidak menghasilkan energi, tetapi digunakan untuk menyimpan energi yang diterima dari cahaya matahari.
 |
| Klasifikasi organisme berdasarkan metabolismenya |
Reaksi katabolis yang paling umum pada hewan dapat dibagi menjadi tiga tahap. Pertama, molekul organik besar seperti protein, polisakarida, atau lipid dicerna menjadi komponen yang lebih kecil diluar sel. Kemudian, molekul yang lebih kecil itu diambil oleh sel dan mengubahnya menjadi molekul yang lebih kecil lagi, biasanya berupa asetil koenzim A (asetil-KoA), yang menghasilkan beberapa energi. Terakhir, asetil pada KoA teroksidasi menjadi air dan karbon dioksida di dalam siklus asam sitrat dan rantai transpor elektron. Proses tersebut menghasilkan energi yang disimpan dengan mereduksi koenzim NAD+ menjadi NADH.
2.1. Pencernaan
Makromolekul seperti pati, selulosa, atau protein tidak dapat langsung diambil oleh sel dan harus dipecah menjadi unit yang lebih kecil sebelum dapat digunakan dalam metabolisme sel. Beberapa jenis enzim mencerna polimer tersebut. Enzim pencernaan tersebut salah satunya adalah protease yang mencerna protein menjadi asam amino dan hidrolase glikoseda yang mencerna polisakarida menjadi gula sederhana yang dikenal sebagai monosakarida.
Mikroba secara sederhana mensekresikan enzim pencernaan disekelilingnya. Sedangkan hewan hanya mensekresi enzim dari sel terdiferensiasi di usus. Asam amino atau gula dihasilkan oleh enzim ekstraseluler yang dipomba menuju sel oleh protein transpor aktif.
2.2. Energi dari Komponen Organik
Katabolisme karbohidrat adalah proses memecah karbohidrat menjadi unit yang lebih kecil. Karbohidrat biasanya diambil oleh sel setelah dicerna menjadi monosakarida. Di dalam sel, jalur utama pemecahan adalah glikolisis yang merupakan proses mengubah gula (glukosa dan fruktosa) menjadi asam piruvat dan menghasilkan beberapa ATP. Asam piruvat digunakan sebagai penengah di beberapa jalur metabolik, namun kebanyakan diubah menjadi asetil-KoA dan masuk ke dalam siklus asam sitrat. Meskipun lebih banyak ATP yang dihasilkan oleh siklus asam sitrat, produk yang terpenting adalah NADH yang terbuat dari NAD+ yang telah teroksidasi. Proses oksidasi tersebut menghasilkan karbon dioksida sebagai produk sampingan (buangan). Dalam kondisi anaerobik, glikolisis memproduksi asam laktat melalui enzim laktat dehidrogenase yang mereoksidasi NADH menjadi NAD+ untuk digunakan kembali dalam glikolisis. Rute alternatif untuk pemecahan glukosa adalah jalur pentosa fosfat yang menguransi koenzim NADPH dan memproduksi gula pentosa seperti ribosa yang merupakan komponen gula dari asam nukleat.
Lemak dikatabolis dengan cara hidrolisis dan menghasilkan asam lemak dan gliserol. Gliserol masuk ke glikolisis dan asam lemak dipecah oleh beta oksidasi untuk menghasilkan asetil-KoA yang kemudian masuk ke siklus asam sitrat. Asam lemak menghasilkan lebih banyak energi melalui oksidasi dibandingkan karbohidrat karena struktur karbohidrat mengandung lebih banyak oksigen. Steroid juga dipecah oleh bakteri dengan proses yang mirip dengan beta oksidasi. Proses pemecahan tersebut melibatkan asetil-KoA, propionil-KoA, dan asam piruvat dalam jumlah yang signifikan. Hasil pemecahan tersebut juga dapat digunakan sebagai energi.
Asam amino salah satunya digunakan untuk mensintesis protein dan biomolekul lain, atau mengoksidasi urea dan karbon dioksida sebagai sumber energi. Jalur oksidasi dimulai dengan menghilangkan animo dengan transaminase. Amino kemudian masuk ke dalam siklus urea dan menghasilkan rangka karbon terdeaminasi di dalam siklus asam sitrat. Contoh, deaminasi glutamat menghasilkan α-ketoglutarate. Asam amino glukogenik juga dapat diubah menjadi glukosa melalui proses glukoneogenesis.
3. Transformasi Energi dalam Metabolisme
3.1. Fosforilasi Oksidatif
Dalam fosforilasi oksidatif, elektron dihilangkan dari molekul organik dan ditransfer ke oksigen, kemudian energi yang dihasilkan digunakan untuk membuat ATP. Proses ini dilakukan oleh eukariota dengan sekumpulan protein di membran mitokondria yang disebut rantai transpor elektron. Pada prokariota, protein ini ditemukan di membran sel bagian dalam. Protein tersebut menggunakan energi yang dihasilkan dengan melewatkan elektron dari molekul tereduksi seperti NADH menuju oksigen untuk memompa proton melewati membran.
Memompa proton keluar dari mitokondria menciptakan perbedaan konsentrasi proton di sekitar membran dan menghasilkan gradien elektrokimia. Gaya ini membawa proton kembali ke mitokondria melewati basa enzim yang disebut ATP sintase. Aliran proton membuat stalk subunit berputar dan menyebabkan daerah domain sintase yang aktif berubah bentuk dan fosforilat adenosin difosfat berubah menjadi ATP.
3.2. Energi dari Komponen Anorganik
Kemolitotrof adalah salah satu jenis metabolisme yang ditemukan di prokariota dimana energi diperoleh dari oksidasi komponen anorganik. Organisme tersebut dapat menggunakan hidrogen, komponen sulfur yang tereduksi (seperti sulfida, hidrogen sulfida, dan tiosulfat), Besi (II) oksida, atau amonia sebagai sumber energi. Energi didapatkan dengan mengoksidasi komponen tersebut dengan akseptor elektron seperti oksigen atau nitrit. Proses mikrobial ini penting dalam siklus biogeokimia globat seperti asetogenesis, nitrifikasi, dan denitrifikasi. Selain itu, proses ini juga penting bagi kesuburan tanah.
3.3. Energi dari Cahaya Matahari
Tumbuhan, sianobakteria, bakteri ungu, bakteri sulfur hijau, dan beberapa jenis protista mendapatkan energi dari cahaya matahari. Proses ini seringkali diikuti dengan pengubahan karbon dioksida menjadi komponen organik sebagai bagian dari fotosintesis. Sistem pengambilan energi dan fiksasi karbon dapat beroperasi secara terpisah pada prokariota. Bakteri ungu dan bakteri sulfur hijau dapat menggunakan cahaya matahari sebagai sumber energi dan dapat berpindah-pindah antara fiksasi karbon dan fermentasi komponen organik.
Pada banyak organisme, proses pengambilan energi matahari memiliki prinsip yang sama dengan fosforilasi oksidatif dimana melibatkan tempat penyimpanan energi sebagai gradien konsentrasi proton. Proton memacu gaya untuk mengendalikan sintesis ATP. Elektron diperlukan untuk mengendalikan rantai transpor elektron yang datang dari protein pembawa cahaya yang disebut pusat reaksi fotosintetik atau rhodopsin. Pusat reaksi pada tumbuhan dan sianobakteria terbagi menjadi dua jenis berdasarkan jenis pembawa pigmen fotosintetik. Kebanyakan bakteri fotosintetik hanya memiliki satu jenis.
Pada tumbuhan, ganggang, dan sianobakteria, fotosistem II menggunakan energi cahaya untuk menghilangkan elektron dari air dan menghasilkan oksigen sebagai produk residu (buangan). Elektron kemudian mengalir ke sitokrom b6f kompleks yang menggunakan energinya untuk memompa proton melewati membran tilakoid di dalam kloroplas. Proton tersebut kembali melalui membran setelah sebelumnya mengendasilkan ATP sintase. Elektron kemudian mengalir melewati fotosistem I dan salah satu elektronnya digunakan untuk mereduksi koenzim NADP+ untuk digunakan di siklus Calvin atau didaur ulang untuk pembentukan ATP berikutnya.
4. Anabolisme dalam Metabolisme
Anabolisme adalah sekumpulan proses metabolik konstruktif dimana energi yang dihasilkan oleh katabolisme digunakan untuk mensintesis molekul kompleks. Umumnya, molekul kompleks menyusun struktur sel dan membentuk prekusor sedikit demi sedikit. Anabolisme terdiri dari tiga tahap. Pertama, produksi prekusor seperti asam amino, monosakarida, isoprenoid, dan nukleotida. Kedua, prekusor tersebut diaktifkan menjadi bentuk reaktif dengan menggunakan energi dari ATP. Ketiga, dilakukan perakitan prekusor hingga menjadi molekul kompleks seperti protein, polisakarida, lipid, dan asam nukleat.
Cara membentuk molekul di dalam sel berbeda-beda pada setiap organisme. Makhluk hidup autotrof seperti tumbuhan dapat membentuk molekul organik kompleks (seperti polisakarida dan protein) di dalam sel dari molekul sederhana seperti karbon dioksida dan air. Sedangkan makhluk hidup heterotrof memerlukan substansi yang lebih kompleks (seperti monosakarida dan asam amino) untuk memproduksi molekul kompleks. Lebih lanjut, organisme dapat diklasifikasikan berdasarkan sumber energi utama yaitu fotoautotrof dan fotoheterotrof yang mendapatkan energi dari cahaya dan kemoautotrof dan kemoheterotrof yang mendapatkan energi dari reaksi oksidasi anorganik.
4.1. Fiksasi Karbon
Fotosintesis adalah sintesis karbohidrat dengan sinar matahari dan karbon dioksida (CO2). Dalam tumbuhan, sianobakteria, dan alga, fotosintesis oksigenik memecah air dengan oksigen sebagai produk buangan. Proses ini menggunakan ATP dan NADPH yang diproduksi oleh pusat reaksi fotosintetik untuk mengubah CO2 menjadi gliserat 3-fosfat yang kemudian diubah menjadi glukosa. Reaksi fiksasi karbon ini dilakukan oleh enzim RuBisCO sebagai bagian dari siklus Calvin – Benson. Tiga jenis fotosintesis terjadi pada tumbuhan yakni fiksasi karbon C3, fiksasi karbon C4, dan fotosintesis CAM. Ketiga jenis tersebut dibedakan berdasarkan jalur karbon dioksida menuju siklus Calvin. Tanaman C3 langsung memasang CO2, sedangkan fotosintesis C4 dan CAM menggabungkan CO2 ke komponen lain terlebih dahulu sebagai bentuk adaptasi dari intensitas cahaya matahari dan kondisi kering.
Pada prokariot fotosintetik, mekanisme fiksasi karbon lebih berbeda. Karbon dioksida dapat langsung dipasang oleh siklus Calvin – Benson (kebalikan dari siklus asam sitrat) atau karboksilasi dari asetil-KoA. Prokariot kemoautotrof juga memasang CO2 melalui siklus Calvin – Benson, namun energi yang digunakan untuk mengendalikan reaksi berasal dari komponen anorganik.
4.2. Karbohidrat dan Glikan
Pada anabolisme karbohidrat, asam organik sederhana dapat diubah menjadi monosakarida (seperti glukosa) kemudian digunakan untuk merakit polisakarida (seperti pati). Generasi glukosa yang berasal dari komponen seperti piruvat, asam laktat, gliserol, gliserat 3-fosfat, dan asam amino disebut glukoneogenesis. Glukoneogenesis mengubah piruvat menjadi glukosa-6-fosfat melalui serangkaian intermediet, banyak diantaranya yang dibagikan dengan glikolisis. Namun, jalur ini tidak sesederhana glikolisis yang berjalan terbalik. Beberapa langkah dikatalis oleh enzim non-glikolitik. Ini diperlukan untuk membentuk formasi dan memecah glukosa.
Meskipun lemak menjadi jalan umum untuk menyimpan energi, dalam vertebrata (seperti manusia), asam lemak tidak dapat diubah menjadi glukosa melalui proses glukoneogenesis. Organisme tersebut juga tidak dapat mengubah asetil-KoA menjadi piruvat. Tumbuhan dapat melakukannya, namun hewan tidak. Akibatnya, setelah menderita kelaparan jangka panjang, vertebrata memproduksi badan keton dari asam lemak untuk menggantikan lemak di dalam jaringan seperti otak yang tidak bisa memetabolis asam lemak. Pada organisme lain seperti tumbuhan dan bakteria, masalah metabolik ini terselesaikan dengan menggunakan siklus glioksilat. Siklus glioksilat memotong tahapan dekarboksilasi dalam siklus asam sitrat dan mengubah asetil-KoA menjadi osaloasetat yang dapat digunakan untuk memproduksi glukosa.
Polisakarida dan glikan dibuat oleh penambahan monosakarida secara berurutan oleh glikosiltransferase dari gula fosfat reaktif (seperti uridin difosfat glukosa / UDF-glukosa) menuju akseptor hidroksil. Semua grup hidroksil dapat dijadikan akseptor, sehingga polisakarida yang terbentuk dapat mempunyai struktur lurus atau bercabang. Polisakarida yang terbentuk memiliki struktur dan fungsi metabolik tersendiri, atau ditransfer ke lipid dan protein dengan bantuan enzim oligosakariltransferase.
4.3. Asam Lemak, Isoprenoid, dan Steroid
Asam lemak dibuat oleh asam lemak sintase yang melakukan polimerisasi dan mereduksi unit asetil-KoA. Rantai asil di dalam asam lemak diperpanjang oleh siklus reaksi yang menambahkan asil, mereduksinya menjadi alkohol, mendehidrasikannya menjadi sekelompok alkana, dan kemudian direduksi lagi menjadi alkana. Enzim dari biosintesis asam lemak terbagi menjadi dua kelompok: Protein tipe I pada hewan dan fungi (jamur) dan enzim tipe II pada plastida tumbuhan dan bakteri.
Terpena dan isoprenoid adalah kelompok besar lipid yang membentuk sebagian besar produk tumbuhan. Komponen tersebut dibuat oleh perakitan dan modifikasi isoprena yang didapat dari prekursor reaktif isopentenil pirofosfat dan dimetilalil pirofosfat. Prekursor tersebut dibuat dengan cara yang berbeda. Pada hewan dan fungi, jalur mevalonat memproduksi komponen tersebut dari asetil-KoA. Sedangkan pada tumbuhan dan bakteri menggunakan piruvat dan gliseraldehid 3-fosfat sebagai substrat. Reaksi penting yang menggunakan isoprena aktif adalah biosintesis steroid. Isoprena akan bergabung bersama untuk memproduksi squalen dan membentuk lanosterol. Lanosterol dapat diubah menjadi steroid lain seperti kolesterol dan ergosterol.
4.4. Protein
Kemampuan setiap organisme untuk mensintesis 20 macam asam amino bervariasi. Kebanyakan bakteri dan tumbuhan dapat mensintesis semuanya, sedangkan mamalia hanya dapat mensintesis sebelas asam amino non-esensial sehingga sembilan asam amino esensial harus didapatkan dari makanan. Beberapa parasit sederhana seperti bakteri Mycoplasma pneumoniae, tidak bisa mensintesis asam amino dan mendapatkannya langsung dari inangnya. Semua asam amino disintesis melalui intermediet dalam glikolisis, siklus asam sitrat, atau jalur pentosa fosfat. Sintesis asam amino bergantung pada formasi asam alfa-keto yang tepat dan melakukan transaminasi untuk membentuk sebuah asam amino.
Asam amino membentuk protein dengan bergabung bersama menjadi rantai peptida. Setiap protein memiliki susunan asam amino yang berbeda yang disebut struktur primer. Bagaikan semua huruf yang dapat dirangkai menjadi kata-kata yang berbeda, asam amino juga dapat melakukan kombinasi untuk membentuk banyak variasi protein. Protein yang dibuat oleh asam amino dapat diaktivasi dengan mengikatnya dengan molekul RNA transfer melalui ikatan ester. Prekursor tRNA diproduksi dalam reaksi ATP. tRNA menjadi substrat untuk ribosom, yang kemudian menjadi asam amino dengan berikatan dengan rantai protein dan menggunakan informasi dari mRNA.
4.5. Sintesis Nukleotida
Nukleotida tersusun dari asam amino, karbon dioksida, dan asam format yang menggunakan energi metabolik dalam jumlah besar. Purin disintesis sebagai nukleosida (basa yang terikat dengan ribosa). Baik adenin dan guanin tersusun dari prekursor nukleosida inosin monofosfat yang disintesis menggunakan atom dari asam amino glisin, glutamin, dan asam aspartik. Pirimidin disintesis dari basa orotat yang terbentuk dari glutamin dan aspartat.
5. Metabolisme Xenobiotik dan Redoks
Semua organisme secara konstan membedah komponen yang tidak dapat digunakan sebagai makanan dan berbahaya jika masuk ke dalam sel. Komponen yang berpotensi merusak tersebut disebut xenobiotik. Xenobiotik seperti obat sintetis, racun alami, dan antibiotik didetoksifikasi oleh sekumpulan enzim metabolisme xenobiotik. Pada manusia, enzim termasuk adalah sitokrom P450 oksidase, UDP-glukuronososiltransferase, dan glutathione S-transferase. Sistem enzim ini bekerja dengan tiga fase. Pertama, xenobiotik dioksidasi. Kedua, zat konjugat yang larut dengan air digabungkan menjadi molekul. Ketiga, xenobiotik larut air yang telah termodifikasi dipompa keluar dari sel dan organisme multiseluler akan memetabolismenya sebelum diekskresi. Dalam ekologi, reaksi ini sangat penting untuk membiodegradasi polutan oleh mikroba dan membioremediasi tanah terkontaminasi atau tumpahan minyak.
6. Aturan dan Kontrol Metabolisme
Suasana lingkungan di kebanyakan organisme dapat berubah secara konstat. Sehingga reaksi metabolisme harus diatur untuk menyesuaikan kondisi dengan sel. Kondisi tersebut disebut homeostasis. Regulasi metabolik juga membuat organisme dapat merespon sinyal dan berinteraksi dengan lingkungannya. Terdapat dua konsep yang penting untuk memahami bagaimana jalur metabolik dikontrol. Pertama, regulasi enzim di dalam jalur metabolik yang dapat meningkat dan berkurang bergantung dengan sinyal yang diterima. Kedua, kontrol diberikan kepada enzim supaya dapat merubah aktivitasnya pada jalur metabolik. Contoh, sebuah enzim dapat berubah total dalam aktivitasnya (sangat diatur) namun jika perubahan tersebut memiliki efek kecil pada aliran di jalur metabolik, maka enzim tersebut tidak dilibatkan dalam pengaturan jalur metabolik.
Terdapat beberapa tingkatan dalam regulasi metabolik. Pada regulasi intrinsik, jalur metabolik melakukan regulasi dengan sendirinya untuk merespon dan merubah tingkatan substrat atau produk. Regulasi ekstrinsik melibatkan sebuah sel pada organisme multiseluler yang telah menerima sinyal dari sel lain untuk mengubah metabolisme. Pengiriman sinyal tersebut melibatkan fosforilasi protein.
Contoh kontrol ekstrinsik yang paling mudah dimengerti adalah pengaturan metabolisme glukosa oleh hormon insulin. Insulin diproduksi sebagai respon peningkatan kadar gula darah. Hormon akan berikatan dengan reseptor insulin pada sel dan kemudian mengaktifkan protein kinase. Hal ini menyebabkan sel mengambil glukosa dan mengubahnya menjadi asam lemak dan glikogen. Metabolisme glikogen dikontrol oleh fosforilase dan glikogen sintase. Insulin memacu sintesis glikogen dengan mengaktifkan protein fosfatase.
7. Evolusi Metabolisme
Jalur utama metabolisme seperti glikolisis dan siklus asam siklat ada di semua makhluk hidup dan nenek moyang semua makhluk hidup. Nenek moyang semua makhluk hidup adalah prokariota dan metanogen yang memiliki metabolisme asam amino, nukleotida, karbohidrat, dan lipid. Jalur metabolisme yang hampir tidak berubah sepanjang evolusi ini dikarenakan jalur ini adalah jalur yang memproduksi produk akhir dengan cara yang paling efisien. Mutasi menyebabkan perubahan pada efisiensi metabolisme.
Evolusi juga dapat menyebabkan kehilangan fungsi metabolik. Contoh, beberapa parasit tidak dapat memetabolisme asam amino, nukleotida, dan karbohidrat sehingga harus didapatkan dari inangnya.
8. Sejarah Penelitian Metabolisme
Istilah “metabolisme” adalah turunan dari bahasa Inggris metabolism yang berasal dari bahasa Yunani Μεταβολισμός (Metabolismos) yang berarti “berubah”. Dokumen pertama yang membahas metabolisme dibuat oleh Ibn al-Nafis pada tahun 1260 masehi dengan judul Al-Risalah al-Kamiliyyah fil Siera al-Nabawiyyah (Risalah Kamil pada Biografi Nabi) yang didalamnya terdapat kalimat “Baik tubuh dan bagiannya adalah tempat berkelanjutan bagi pemecahan dan makanan, jadi mereka pasti menjalani perubahan permanen”. Sejarah penelitian ilmiah tentang metabolisme terbentang selama beberapa abad dan telah berubah dari meneliti bagian dalam hewan pada penelitian awal menjadi penelitian reaksi metabolik pada individu dalam biokimia modern. Percobaan pertama pada metabolisme manusia dipublikasikan oleh Santorio Santorio pada tahun 1614 dalam bukunya yang berjudul Ars de statica medicina. Dia menjelaskan hasil penimbangan berat badannya sebelum dan sesudah makan, tidur, bekerja, melakukan hubungan s3ksual, puasa, minum, dan buang air kecil. Dia menemukan bahwa kebanyakan makanan yang dia makan hilang melalui sesuatu yang ia sebut “pengeluaran tidak sadar”.
Pada studi awal, mekanisme proses metabolik belum teridentifikasi. Pada abad ke-19, ketika Louis Pasteur mempelajari fermentasi gula menjadi alkohol dengan ragi, ia menyimpulkan bahwa fermentasi mengkatalis substansi dalam sel ragi. Dia menulis bahwa “fermentasi alkohol memiliki korelasi dengan kehidupan dan organisme di dalam sel ragi, bukan kematian atau pembusukan sel”. Penelitian ini, sejalan dengan publikasi Friedrich Wöhler pada tahun 1828 tentang sintesis kimia pada urea dan tercatat sebagai komponen organik pertama yang disiapkan dari prekursor anorganik. Ini terbukti bahwa komponen organik dan reaksi kimia yang ditemukan di dalam sel tidak berbeda dengan prinsip kimia lain.
Penelitian pertama tentang enzim dilakukan pada awal abad ke-20 oleh Eduard Buchner yang memisahkan studi reaksi kimia metabolisme dari studi biologi sel. Ini menjadi awal dari biokimia. Pengetahuan tentang biokimia berkembang pesat pada awal abad ke-20. Salah satu orang yang paling berkontribusi terhadap biokimia adalah Hans Krebs yang juga memberikan kontribusi besar bagi studi metabolisme. Dia meneliti siklus urea dan kemudian siklus asam sitrat dan siklus glioksilat bersaa dengan Hans Kornberg. Penelitian biokimia modern sangat didukung oleh perkembangan teknik penelitian seperti kromatografi, difraksi sinar X, spektroskopi NMR, penandaan radioisotop, mikroskop elektron, dan simulasi dinamika molekuler.
Anda bisa request artikel tentang apa saja, kirimkan request Anda ke atau langsung saja lewat kolom komentar :)