KONSEP METABOLISME

1. Pendahuluan

Semua sel hidup memerlukan energi untuk melakukan berbagai aktivitas secara seluler. Energi tersebut diperoleh dari proses metabolisme molekul organik (karbohidrat, lemak dan protein) yang diasup sebagai sumber makanan. Molekul organik tersebut dipecah melalui reaksi enzimatik di dalam sel untuk menghasilkan energi dalam bentuk ATP (Adenosin Tripospat). ATP yang dihasilkan nantinya akan digunakan oleh tubuh secara seluler seperti proses pembelahan sel, deferensiasi sel, motilitas sel, cell signaling, dan organelle movement.

 I. Tahapan Metabolisme Seluler

Makanan yang telah dicerna, untuk dapat diserap oleh tubuh sebelumnya harus mengalami proses pemecahan menjadi molekul yang lebih kecil, dimana protein akan dipecah menjadi asam amino, polisakarida menjadi gula, dan lemak menjadi asam lemak dan gliserol. Proses pencernaan tersebut terjadi diluar sel.

Asam amino, glukosa dan asam lemak selanjutnya akan masuk ke dalam sel yang kemudian mengalami oksidasi melalui proses glikolisis (di dalam sitosol) dan siklus asam sitrat (di dalam mitokondria) untuk menghasilkan ATP (dari ATP dan Pi).

A. Glikolisis

Selama proses glikolisis, setiap molekul akan  diubah menjadi dua molekul asam piruvat, dan menghasilkan 2 molekul NADH (Nicotinamide adenine dinukleotide) serta 2 molekul ATP.

Glikolisis menghasilkan ATP tanpa molekul oksigen. Proses glikolisis terjadi di sitosol sel dan merupakan sumber energi utama bagi mkroorganisme anaerob.

Dalam sel aerobik, asam piruvat yang dihasilkan selama glikolisis akan dimetabolisme lebih lanjut ke dalam mitokondria melalui siklus asam sitrat dan rantai transpor elektron untuk menghasilkan ATP tambahan.  

Dalam organisme anaerobik atau dalam kondisi anaerob (di mana oksigen terbatas), piruvat ini akan diubah menjadi etanol dan CO2 (misalnya dalam ragi) atau ke laktat (misalnya di otot).

B. Siklus Asam Sitrat (Siklus kreb/Tricarboxylic acid cycle)

Pada organisme aerobik, sebagian besar ATP dihasilkan melalui siklus asam sitrat dan proses fosforilasi oksidatif. Proses tersebut terjadi di dalam mitokondria dan tergantung pada molekul oksigen. Selain menghasilkan ATP (satu molekul glukosa menghasilkan 30 molekul ATP), reaksi ini juga menghasilkan CO2 dan H2O.

Asam piruvat yang dihasilkan di tahap glikolisis, kemudian akan memasuki mitokondria untuk diubah menjadi Asetil CoA. Begitu pula asam lemak juga akan diubah menjadi Asetil CoA melalui CoA Intermediet asam lemak.

Molekul Asetil CoA merupakan sumber utama energi bagi organisme aerobik. Molekul tersebut akan memasuki siklus asam sitrat untuk bergabung dengan oksaloasetat, dan melalui beberapa langkah, menghasilkan 3 NADH, 2 FADH2, dan 1 GTP.

Sebagian besar ATP dihasilkan pada saat molekul NADH dan FADH2 mentransfer elektron melalui rantai transpor elektron. Poses tersebut akan menghasilkan gradien proton yang kemudian digunakan untuk menghasilkan ATP. Seluruh proses ini disebut sebagai fosforilasi oksidatif

Gambar 1. Gambaran Umum Metabolisme Sel

II. Penyimpanan Energi Seluler

Sel memerlukan sumber energi yang bersifat konstan, sedangkan akses energi yang berasal dari makanan hanya bersifat berkala. Oleh karena itu sel harus mempunyai kemampuan mengubah gula dan lemak untuk disimpan (energi cadangan).

Untuk penyimpanan jangka pendek, gula disimpan dalam bentuk glikogen, yang ada dalam bentuk butiran kecil di dalam sitoplasma banyak sel (misalnya hati dan otot). Jika diperlukan, glikogen dapat segera dikonversi kembali menjadi glukosa-1-fosfat, yang kemudian masuk dalam proses glikolisis.

Asam lemak merupakan sumber energi utama untuk disimpan dalam waktu jangka panjang. Asam lemak disimpan sebagai tetesan lemak (trigliserida) di dalam jaringan adiposit. Jika diperlukan, sel-sel tersebut melepaskan asam lemak ke dalam aliran darah yang kemudian diambil oleh sel-sel lain dan diubah menjadi asetil CoA. Acetly CoA kemudian memasuki siklus asam sitrat dan menghasilkan ATP.


III. Struktur Mitokondria

Mitokondria merupakan organela sel yang bersifat dinamis, berperan penting bagi sel eukariotik untuk menghasilkan ATP. 

Mitokondria mempunyai membran luar dan dalam, dengan ruang antar membran dan matrik internal. 

Membran mitokondria bagian luar terdiri dari kanal yang berisi porin, yang membuat membran luar bersifat permeable terhadap molekul yang berukuran < 10 kDA.

Membran mitokondria bagian luar bersifat impermeable, dikarenakan tingginya kandungan cardiopilin. Di bagian membran dalam mengandung protein yang tinggi sekitar 75%, termasuk protein transport yang membentuk membran selektif permeabel.

Komponen dari rantai transpor elektron terbenam dalam membran dalam (kecuali sitokrom c, yang terdapat di ruang antarmembran). Membran dalam juga dikemas dalam konformasi dilipat yang disebut krista, yang secara substansial meningkatkan luas permukaan membran dalam mitokondria.

Matriks mitokondria berisi beberapa enzim yang diantaranya terlibat dalam siklus asam sitrat. Matriks juga mengandung DNA mitokondria dan mitokondria sintesis protein.


IV. Sintesis ATP (Fosporilasi Oksidatif)

Proses glikolisis dan siklus asam sitrat menghasilkan elektron berenergi tinggi yang dibawa oleh molekul NADH dan FADH2. 

Molekul NADH (dan FADH2) mentransfer elektron melalui beberapa pembawa elektron yang merupakan komponen dari rantai transpor elektron. Komponen tersebut terletak di membran dalam mitokondria. Elektron yang ditransfer sepanjang rantai yang pada akhirnya mengurangi molekul oksigen untuk menghasilkan air.

Lebih penting lagi, transfer elektron sepanjang rantai transpor elektron digabungkan dengan gerakan proton (H +) dari sisi matriks ke ruang membran antar. Hal itu menyebabkan pH dan tegangan gradien melintasi membran dalam yang pada akhirnya mendorong sintesis ATP melalui F1F0 ATPase.

The F1F0 ATPase adalah protein kompleks multisubunit yang terletak di membran mitokondria bagian dalam. Pergerakan proton (H+) kembali ke matriks melalui kompleks protein tersebut dikendalikan oleh "rotor" sebagai promotor sintesis ATP dari ADP dan Pi. Oleh karena itu permeabilitas membran dalam mitokondria sangat penting untuk menghasilkan ATP. 

ATP yang dihasilkan dalam matriks kemudian diangkut ke luar mitokondria untuk pertukaran dengan ADP, sehingga siklus dapat terjadi. ATP tersebut selanjutnya digunakan untuk menggerakkan semua fungsi metabolisme seluler.

Sel-sel menjaga rasio ATP/ADP tinggi (sekitar 10) dan inhibitor dari rantai transpor elektron (misalnya sianida) untuk menghambat sintesis ATP yang sangat beracun bagi organisme.

Gambar 2. Overview Sintesis ATP oleh Fosforilasi Oksidatif

V. Genetik Mintokondria

Hal ini berlaku umum bahwa mitokondria berevolusi dari bakteri yang ditelan oleh sel moyang bernukleus.

Mitokondria mengandung materi genetik berupa DNA yang berukuran relatif kecil yakni sekitar 16 kb. Materi genetik tersebut  hanya mengkodekan sebagian kecil dari molekul (13 protein, 2 tRNA, 22 tRNA). Komponen sisa dari mitokondria dikode oleh nukleus.

DNA mitokondria berbentuk untai ganda, tidak terkait dengan histon dan memiliki perbedaan penggunaan kodon yang berbeda dari DNA inti (contohnya UGA: Triptofan) yang terletak di dalam matriks mitokondria.

Mitokondria bersifat dinamis yakni memiliki kemampuan untuk merubah bentuk dan ukuran melalui proses fusi dan fisi dalam sel sesuai kebutuhan seluler dan lingkungan.

Mitokondria dipropagasi di dalam sel melalui fusi. Karena hal tersebut, sebagian besar mitokondria diwarisi dari jalur maternal. 

Mitokondria memiliki tingkat mutasi yang relatif tinggi. Oleh karena itu adanya disfungsi mitokondria dapat menyebabkan penyakit yang bersifat degeneratif. 

Mutasi mitokondria yang spesifik berkaitan dengan banyak penyakit manusia, diantaranya neuropati optik herediter (LHON) penyakit Leber, sindrom Kearns-Sayre (KSS) dan MELAS (seperti encephalomyopathy mitokondria, asidosis laktat). Jaringan yang memiliki kebutuhan energi yang tinggi seperti otak, jantung, otot yang sangat rentan terhadap disfungsi mitokondria.


Sumber Referensi 

Alberts et al. (2002). Molecular Biology of the Cell. Garland Science Publishers, New York.

Lehninger et al. (2000). Principles of Biochemistry. W H Freeman & Co. Publishers, New York.