Katabolisme: Metabolisme Part 1 — Proses Pemecahan Energi dalam Tubuh

Setiap hari, tubuh kita mengubah makanan yang kita konsumsi menjadi energi yang dibutuhkan untuk menjalankan berbagai aktivitas. Salah satu proses utama yang terlibat dalam menghasilkan energi ini adalah katabolisme, yang memecah molekul besar seperti glukosa, lemak, dan protein menjadi komponen yang lebih kecil untuk menghasilkan ATP, sumber energi utama tubuh. Dalam artikel ini, kita akan menggali lebih dalam tentang bagaimana katabolisme bekerja dan perannya yang vital dalam menjaga fungsi tubuh kita.

Apa itu Katabolisme?

Katabolisme adalah reaksi metabolik yang memecah molekul kompleks menjadi molekul yang lebih sederhana, proses ini bertujuan untuk memperoleh energi. Katabolisme merupakan salah satu dari jalur metabolisme yang penting bagi kelangsungan hidup. Proses tersebut berperan penting dalam menjaga keseimbangan energi dengan menyediakan ATP, yang digunakan untuk berbagai proses seluler. Tanpa katabolisme, tubuh tidak dapat menghasilkan energi yang dibutuhkan untuk menjalankan fungsi vital seperti pernapasan, kontraksi otot, dan aktivitas otak.

Pembahasan kali ini lebih berfokus pada katabolisme Makronutrien dalam tubuh. Secara sederhana, proses katabolisme yang terjadi di sitoplasma dan mitokondria sel dapat diilustrasikan seperti berikut ini :

Proses Katabolisme 1 — Katabolisme karbohidrat

Proses katabolisme karbohidrat bertujuan untuk memecah glukosa menjadi energi yang berupa ATP. Pada kondisi aerob ( tersedia Oksigen ) glukosa akan melalui tahap pemecahan, yaitu : Glikolisis — Dekarboksilasi Oksidatif — Siklus krebs (TCA) — Rantai Transpor Elektron. Rangkaian tahap tersebut akan di bahas satu persatu.

1. Glikolisis

Glikolisis merupakan tahap pertama dari proses pemecahan glukosa. Tahap ini terjadi di sitoplasma sel dan dapat dilakukan tanpa atau dengan ketersiediaan oksigen. Proses glikolisis dapat di lihat pada bagan berikut :

Gambar 2 Skema Proses Glikolisis yang Terjadi di Sitoplasma Sel

Tahap ini melibatkan senyawa glukosa (6C) yang akan diubah menjadi asam piruvat (3C) melalui serangkaian proses. Peran enzim sangat penting disini. Proses dimulai dengan fosforilasi (penambahan fosfat) glukosa oleh enzim heksokinase menggunakan ATP, membentuk glukosa-6-fosfat. Selanjutnya, enzim fosfoheksosa isomerase mengubahnya menjadi fruktosa-6-fosfat, yang kemudian difosforilasi oleh enzim fosfofruktokinase menggunakan ATP menjadi fruktosa-1,6-bifosfat. Molekul ini kemudian dipecah oleh enzim aldolase menjadi dua senyawa tiga karbon, yaitu dihidroksiaseton fosfat (DHAP) dan gliseraldehida-3-fosfat (PGAL), yang dapat saling dikonversi oleh enzim triose fosfat isomerase.

Gliseraldehida-3-fosfat kemudian mengalami oksidasi oleh enzim gliseraldehida-3-fosfat dehidrogenase, menghasilkan NADH dan 1,3-bifosfogliserat. Selanjutnya, enzim fosfogliserat kinase mengubah 1,3-bifosfogliserat menjadi 3-fosfogliserat dengan menghasilkan ATP. Reaksi berlanjut dengan enzim fosfogliserat mutase yang mengonversi 3-fosfogliserat menjadi 2-fosfogliserat, yang kemudian didehidrasi oleh enolase menjadi fosfoenolpiruvat (PEP). Akhirnya, enzim piruvat kinase mengubah PEP menjadi asam piruvat, menghasilkan ATP tambahan. Hasil akhir dari proses glikolisis dari 1 molekul glukosa adalah 2 Asam Piruvat (C₃H₄O₃), 2 ATP, 2 NADH, dan sedikit H2O.

2. Dekarboksilasi Oksidatif (DO)

Gambar 3 Skema Proses Dekarboksilasi Oksidatif

Sebelum masuk ke siklus krebs, molekul asam piruvat akan di karboksilasi menjadi molekul Asetil Ko-A . Tahap ini terjadi di mitokondria sel dan dikatalisis oleh kompleks enzim piruvat dehidrogenase dan berlangsung secara aerob. Setiap molekul asam piruvat akan mengalami tiga tahap utama, yaitu : Pelepasan karbon dioksida (CO₂) melalui dekarboksilasi dan membentuk gugus asetil (C₂H₃O), Oksidasi yang menghasilkan NADH dari NAD⁺, dan Pembentukan asetil-KoA (C₂H₃O-SCoA) dengan bantuan koenzim A. Pada tahap ini dua molekul asam piruvat hasil glikolisis akan terbentuk 2 Asetil-KoA, 2 NADH, dan 2 CO₂.

3. Siklus Krebs (TCA)

Gambar 4 Siklus Krebs (TCA)

Siklus krebs atau siklus asam trikarboksilat (TCA) merupakan siklus yang terjadi secara aerobik di dalam matriks mitokondria. Dalam siklus ini, asetil-KoA yang dihasilkan dari dekarboksilasi oksidatif akan bergabung dengan oksaloasetat (C₄) membentuk senyaawa sitroil Ko-A dan mengalami hidrolisis membentuk sitrat (C₆) melalui reaksi yang dikatalisis oleh enzim sitrat sintase. Selanjutnya, sitrat mengalami trasnformasi menjadi isositrat dengan enzim akitonase sebagai katalis. Terjadi reaksi dekarboksilasi oksidatif yang mengubah isositrat (C₆) menjadi α-ketoglutarat (C₅) dengan bantuan enzim isositrat dehidrogenase, menghasilkan NADH dan melepaskan CO₂. Reaksi dekarboksilasi oksidatif berikutnya mengubah α-ketoglutarat (C₅) menjadi suksinil-KoA (C₄) melalui enzim α-ketoglutarat dehidrogenase, yang juga menghasilkan NADH dan CO₂. Suksinil-KoA kemudian dikonversi menjadi suksinat oleh enzim suksinil-KoA sintetase, menghasilkan ATP atau GTP melalui fosforilasi tingkat substrat. Selanjutnya, enzim suksinat dehidrogenase mengoksidasi suksinat menjadi fumarat, yang sekaligus mereduksi FAD menjadi FADH₂. Fumarat kemudian dihidrasi menjadi malat oleh enzim fumarase dengan penambahan H₂O. Akhirnya, enzim malat dehidrogenase mengoksidasi malat menjadi oksaloasetat, menghasilkan NADH yang dapat digunakan dalam rantai transport elektron. Oksaloasetat yang terbentuk akan beregenerasi dan menangkap asetil-KoA baru, sehingga siklus Krebs dapat berulang untuk terus menghasilkan energi dalam bentuk NADH, FADH₂, dan ATP.

Setiap siklus penuh yang berasal dari 2 molekul asetil-KoA menghasilkan 6 NADH, 2 FADH₂, 2 ATP , dan 4 CO₂. Produk-produk ini kemudian digunakan dalam rantai transport elektron untuk menghasilkan ATP dalam jumlah yang lebih besar.

4. Rantai Transpor Elektron

Gambar 5 Ilustrasi Proses Transpor Elektron di Membran dalam Mitokondria

Tahap akhir dari proses respirasi aerob adalah rantai trasnpor elektron yang berfungsi untuk menghasilkan ATP melalui transfer elektron dari NADH dan FADH₂ ke oksigen. Proses ini dimulai ketika NADH dan FADH₂, yang dihasilkan dari glikolisis, dekarboksilasi oksidatif, dan siklus Krebs, melepaskan elektronnya ke kompleks protein dalam membran mitokondria. Elektron dari NADH pertama kali memasuki Kompleks I (NADH dehidrogenase), yang memompa proton (H⁺) ke ruang intermembran dan mentransfer elektron ke koenzim Q (ubikuinon). Sementara itu, FADH₂ melepaskan elektronnya ke Kompleks II (suksinat dehidrogenase), yang tidak memompa proton tetapi tetap mengalirkan elektron ke ubikuinon. Ubikuinon kemudian mengantarkan elektron ke Kompleks III (sitolokrom bc₁), yang kembali memompa proton dan meneruskan elektron ke sitolokrom C, protein pengangkut elektron yang bermigrasi menuju Kompleks IV (sitolokrom c oksidase). Di kompleks terakhir ini, elektron akhirnya ditransfer ke oksigen (O₂) yang bertindak sebagai akseptor elektron akhir, membentuk air (H₂O) dengan bantuan proton. Sementara elektron bergerak melalui rantai ini, pompa proton yang diaktifkan oleh Kompleks I, III, dan IV menciptakan gradien proton di ruang intermembran, menyebabkan perbedaan konsentrasi H⁺ antara matriks mitokondria dan ruang intermembran. Energi yang tersimpan dalam gradien proton ini digunakan oleh enzim ATP sintase untuk mensintesis ATP melalui mekanisme kemiosmosis, di mana proton mengalir kembali ke matriks melalui ATP sintase, memicu fosforilasi ADP menjadi ATP. Dengan demikian, rantai transpor elektron menghasilkan sekitar 34 ATP per molekul glukosa.

Proses Katabolisme 2 — Katabolisme Protein

Katabolisme protein adalah proses pemecahan protein menjadi asam amino dan selanjutnya diubah menjadi senyawa yang dapat masuk ke jalur metabolisme untuk menghasilkan energi. Proses ini terjadi dalam beberapa tahap utama, yaitu proteolisis, deaminasi, transaminasi, dan masuknya produk akhir ke dalam siklus metabolisme seperti siklus Krebs atau glukoneogenesis.

Gambar 6 Overview Pemecahan Protein di Hati

1. Proteolisis

Pada tahap ini protein dipecah menjadi asam amino melalui kerja enzim protease atau peptidase. Proses ini terjadi di berbagai lokasi:

• Di saluran pencernaan, protein dari makanan dipecah oleh enzim seperti pepsin (lambung), tripsin dan kimotripsin (pankreas), serta peptidase (usus halus) menjadi peptida kecil dan akhirnya asam amino bebas.
• Di dalam sel, protein intraseluler yang rusak atau tidak diperlukan diuraikan oleh proteasom atau lisosom menggunakan enzim protease spesifik.

Setelah proteolisis, asam amino bebas diserap ke dalam darah dan didistribusikan ke berbagai jaringan untuk digunakan dalam sintesis protein baru atau masuk ke jalur katabolisme untuk energi.

2. Transaminasi

Pada tahap transaminasi gugus amino (-NH2) dari suatu asam amino dipindahkan ke sebuah keto-asam (senyawa yang mengandung grup karbonil, C=O) untuk membentuk asam amino baru dan keto-asam yang berbeda. Proses ini dipicu oleh enzim transaminase (aminotransferase), yang memerlukan kofaktor piridoksal fosfat (vitamin B6). Transaminasi memainkan peran penting dalam metabolisme asam amino, karena memungkinkan tubuh untuk mengubah satu jenis asam amino menjadi yang lain, serta mempersiapkan produk-produk metabolik yang nantinya dapat digunakan dalam jalur energi, seperti dalam siklus Krebs.

Contoh reaksi → Alanin+α−ketoglutarat→Piruvat+Glutamat

Alanin (sebuah asam amino) memberikan gugus amino (-NH2) kepada α-ketoglutarat (sebuah keto-asam) untuk membentuk glutamat (sebuah asam amino) dan piruvat (keto-asam baru). Piruvat dan Glutamat dapat masuk ke jalur metabolisme siklus krebs setelah melalui serangkain reaksi tertentu. Namun, hal tersebut menyesuaikan kondisi dan kebutuhan. Piruvat dapat masuk ke jalur lain seperti proses sintesis glukosa di hati (glukoneogenesis) maupun fermentasi jika ketersiediaan oksigen terbatas.

3. Deaminasi Oksidatif

Tahap ini asam amino mengalami penghilangan gugus amino (-NH2) melalui reaksi oksidasi, menghasilkan amonia (NH3) dan sebuah keto-asam yang berhubungan. Proses ini terjadi terutama di hati, menggunakan enzim dehidrogenase asam amino, seperti glutamat dehidrogenase. Dalam deaminasi oksidatif, glutamat biasanya diubah menjadi α-ketoglutarat yang dapat masuk ke siklus krebs dan gugus amino yang dilepaskan akan dikombinasikan dengan ion hidrogen (H+) untuk membentuk amonia.

4. Siklus Urea/Pembuangan Amonia

Amonia (NH₃) yang dihasilkan dari deaminasi sangat beracun bagi tubuh, sehingga harus segera dibuang melalui siklus urea di hati. NH₃ (Amonia) bereaksi dengan CO₂ untuk membentuk karbamoil fosfat. Karbamoil fosfat bergabung dengan ornitin untuk membentuk sitrulin. Melalui serangkaian reaksi, arginin terbentuk dan dipecah menjadi urea, yang kemudian diekskresikan melalui ginjal bersama dengan urin. Siklus urea sangat penting untuk mencegah penumpukan amonia dalam tubuh yang dapat menyebabkan gangguan metabolisme serius seperti hiperamonemia.

5. Masuk ke Jalur Metabolisme

Setelah gugus amino dilepaskan, bagian karbon dari asam amino (kerangka karbon) dapat masuk ke dalam berbagai jalur metabolisme tergantung pada jenis asam amino:

• Asam amino glukogenik → Dikonversi menjadi piruvat, oksaloasetat, atau α-ketoglutarat, yang dapat digunakan untuk sintesis glukosa melalui glukoneogenesis.
• Asam amino ketogenik → Dikonversi menjadi asetoasetat atau asetil-KoA, yang dapat digunakan untuk sintesis badan keton atau masuk ke siklus Krebs untuk produksi energi.
• Asam amino yang bersifat glukogenik dan ketogenik → Dapat diubah menjadi glukosa atau badan keton tergantung pada kondisi metabolik tubuh.

Gambar 7 Asam Amino ter Deaminasi Masuk ke Jalur Siklus Krebs

Katabolisme protein adalah proses normal dalam tubuh yang berfungsi untuk menyediakan asam amino yang dibutuhkan untuk sintesis protein baru, perbaikan jaringan, dan metabolisme lainnya. Proses ini terus berlangsung meskipun dalam jumlah kecil, namun dapat meningkat secara signifikan dalam kondisi tertentu, seperti saat tubuh kekurangan energi dari karbohidrat atau lemak, mengalami stres fisik, penyakit, atau cedera, serta selama latihan fisik intens.

Proses Katabolisme 3 — Katabolisme Lemak

Katabolisme lemak merupakan proses penting yang bertujuan untuk menyediakan energi, terutama ketika sumber energi dari karbohidrat terbatas. Proses ini melibatkan pemecahan lemak yang disimpan dalam tubuh menjadi asam lemak dan gliserol, yang kemudian diubah menjadi energi yang dapat digunakan oleh sel-sel tubuh. Katabolisme lemak tidak hanya mendukung kebutuhan energi jangka pendek, tetapi juga berperan dalam penyimpanan energi cadangan dalam jaringan adiposa. Dalam prosesnya, lemak dipecah dan melalui serangkaian langkah biokimia, mulai dari pencernaan hingga pembentukan ATP, yang menjadi sumber energi utama bagi tubuh.

1. Pencernaan dan Absorbsi Lemak

Lemak yang terkandung dalam makanan dipecah di usus halus dengan bantuan garam empedu dan enzim lipase pankreas. Garam empedu memecah lemak besar menjadi partikel-partikel lebih kecil melalui proses emulsi, memungkinkan enzim lipase untuk memecah trigliserida menjadi asam lemak bebas dan monogliserida. Produk-produk ini kemudian diserap oleh sel-sel usus halus, yang dikenal sebagai enterosit. Di dalam enterosit, asam lemak dan monogliserida digabungkan kembali menjadi trigliserida, bersama dengan kolesterol dan fosfolipid, membentuk partikel lipoprotein yang disebut kilomikron. Kilomikron ini mengangkut lemak dan vitamin larut lemak ke dalam sistem limfatik dan akhirnya ke aliran darah untuk didistribusikan ke berbagai jaringan tubuh, seperti jaringan adiposa untuk penyimpanan atau otot untuk digunakan sebagai energi.

2. Transportasi ke Jaringan

Kilomikron yang mengandung trigliserida, kolesterol, dan vitamin larut lemak masuk ke dalam sistem limfatik, yang kemudian mengalirkannya ke dalam darah. Dari sini, kilomikron didistribusikan ke berbagai jaringan tubuh melalui aliran darah, termasuk jaringan adiposa (lemak) dan otot. Di jaringan adiposa, trigliserida disimpan sebagai cadangan energi, sementara di otot, asam lemak yang terdapat dalam kilomikron dapat digunakan langsung sebagai sumber energi, terutama saat tubuh membutuhkan energi lebih, seperti selama aktivitas fisik. Selain itu, beberapa kilomikron juga akan diproses oleh hati untuk menghasilkan lipoprotein lainnya, yang berfungsi dalam distribusi lemak lebih lanjut ke seluruh tubuh. Transportasi lemak ini memastikan bahwa tubuh dapat memanfaatkan lemak sebagai sumber energi yang efisien dan menyimpannya untuk kebutuhan di masa depan.

3. Lipolisis

Lipolisis adalah proses pemecahan trigliserida yang disimpan dalam jaringan adiposa menjadi asam lemak bebas dan gliserol, yang dapat digunakan sebagai sumber energi. Proses ini dipicu oleh hormon-hormon seperti adrenalin, glukagon, dan kortisol, yang dilepaskan selama stres, kelaparan, atau aktivitas fisik. Hormon-hormon tersebut berikatan dengan reseptor pada sel adiposa, yang kemudian merangsang enzim lipase hormonkontrol (seperti lipase sensitif hormon/HSL) untuk memecah trigliserida menjadi asam lemak bebas dan gliserol. Asam lemak bebas kemudian dilepaskan ke dalam darah dan diangkut oleh albumin ke sel-sel tubuh, terutama otot dan hati, untuk digunakan sebagai bahan bakar. Gliserol, produk sampingan dari lipolisis, dibawa ke hati untuk digunakan dalam proses glukoneogenesis (pembentukan glukosa). Lipolisis adalah langkah penting dalam mobilisasi cadangan lemak tubuh untuk memenuhi kebutuhan energi, terutama dalam kondisi kekurangan energi dari karbohidrat.

4. Transportasi Asam lemak ke Sel

Setelah lipolisis, asam lemak bebas yang dihasilkan dilepaskan ke dalam aliran darah dan diangkut oleh protein albumin, yang berfungsi sebagai pembawa asam lemak ke sel-sel tubuh. Asam lemak bebas ini kemudian menuju ke berbagai jaringan yang membutuhkan energi, seperti otot dan hati. Di dalam sel, asam lemak bebas akan dipindahkan melalui membran sel dengan bantuan transporter khusus, seperti fatty acid transporters (FAT). Setelah berhasil masuk ke dalam sel, asam lemak bebas akan diangkut ke mitokondria, tempat di mana mereka akan mengalami beta-oksidasi, yaitu proses pemecahan asam lemak menjadi asetil-KoA yang dapat digunakan untuk menghasilkan energi melalui siklus Krebs. Transportasi asam lemak ke sel sangat penting karena memungkinkan tubuh untuk memanfaatkan cadangan lemak sebagai sumber energi, terutama dalam kondisi di mana sumber energi utama seperti glukosa terbatas.

5. Beta Oksidasi

Beta-oksidasi adalah proses di mana asam lemak yang telah masuk ke dalam sel dipecah di dalam mitokondria untuk menghasilkan energi. Proses ini dimulai ketika asam lemak diaktivasi oleh konversi menjadi asam lemak-CoA melalui enzim acyl-CoA synthetase. Selanjutnya, asam lemak-CoA dipindahkan ke dalam mitokondria, di mana ia mengalami serangkaian reaksi pemecahan yang disebut beta-oksidasi.

Dalam beta-oksidasi, setiap putaran reaksi mengurangi panjang rantai karbon asam lemak sebanyak dua atom karbon. Proses ini menghasilkan asetil-KoA, yang kemudian akan memasuki siklus Krebs untuk menghasilkan energi dalam bentuk NADH, FADH2, dan GTP/ATP. Selain itu, beta-oksidasi juga menghasilkan NADH dan FADH2, yang digunakan dalam rantai transportasi elektron untuk menghasilkan ATP melalui fosforilasi oksidatif.

Secara keseluruhan, beta-oksidasi memungkinkan tubuh untuk mengubah asam lemak menjadi bentuk energi yang dapat digunakan (ATP), dan merupakan langkah kunci dalam katabolisme lemak, terutama saat tubuh membutuhkan sumber energi cadangan ketika glukosa terbatas.

6. Masuk ke Jalur Metabolisme

Setelah asam lemak dipecah melalui beta-oksidasi, hasil akhirnya adalah asetil-KoA. Asetil-KoA ini kemudian memasuki Siklus Krebs, yang merupakan serangkaian reaksi kimia yang terjadi di dalam mitokondria. Dalam siklus ini, asetil-KoA bergabung dengan oksaloasetat untuk membentuk asam sitrat. Asam sitrat kemudian mengalami beberapa transformasi kimia, menghasilkan produk sampingan berupa NADH dan FADH2 — dua molekul pembawa elektron yang kaya energi. Selain itu, sedikit ATP juga diproduksi dalam siklus ini.

Selanjutnya, NADH dan FADH2 yang dihasilkan dari siklus Krebs akan digunakan dalam rantai transportasi elektron, yang juga berlangsung di dalam mitokondria. Dalam proses ini, NADH dan FADH2 menyumbangkan elektron mereka ke rantai transportasi elektron, yang terdiri dari serangkaian protein di membran dalam mitokondria. Elektron-elektron yang berpindah sepanjang rantai ini menyebabkan pemompaan proton (ion hidrogen) ke ruang antar membran, menciptakan gradien proton. Gradien ini kemudian digunakan oleh enzim ATP sintase untuk menghasilkan ATP ketika proton mengalir kembali ke dalam matriks mitokondria. ATP ini adalah bentuk utama energi yang digunakan oleh sel-sel tubuh untuk berbagai proses biologis.

Secara ringkas, asetil-KoA yang berasal dari beta-oksidasi memasuki siklus Krebs, menghasilkan NADH dan FADH2, yang kemudian digunakan dalam rantai transportasi elektron untuk menghasilkan ATP, yaitu sumber energi utama tubuh.

Sekian untuk penjelasan metabolisme part 1, sampai jumpa di pembahasan selanjutnya ya !

Referensi

Da Poian, A. T., & Castanho, M. A. R. B. (2015). Catabolism of the major biomolecules. In Integrative human biochemistry (pp. 223–257). Springer. https://doi.org/10.1007/978-1-4939-3058-6_7