VII.METABOLISME ENERGIUntuk mempertahankan struktur dan berjalannya fungsi tubuh makhluk hidup diperlukan energi. Energi ini diperoleh dari makanan. Demikian bila seseorang berhenti makan dalam beberapa hari saja tubuhnya akan kurus karena sebagian zat-zat jaringan tubuh digunakan untuk menghasilkan energi .Bila hal ini berlangsung beberapa bulan maka struktur dan fungsi tubuh tidak dapat dipertahankan lagi akan berakhir dengan kematian.Salah satu fungsi pokok dari metabolisme adalah untuk menghasilkan energi.Di dalam bab ini akan dibahas proses-proses reaksi kimia yang bertalian dengan produksi energi untuk keperluan tubuh.7.1.Energi Dalam Sistem Biologi Energi yang terlibat dalam sistem biolog dari energi cahaya matahari. Tumbuhan hijau menampung energi cahaya matahari di dalam klorofit (zat hijau daun).Energi cahaya bersama-sama dengan 6 molekul CO2 dan 6 molekul air bereaksi membentuk sebuah molekul glukosa.6H2O + 6CO2 + h.v ( energi cahaya) -> C6H12O6 + 6 CO2 Proses ini disebut fotosintesis .Melalui reaksi fotosintesis ini energi cahaya diubah menjadi energi kimia dan simpanan dalam struktur molekul glukosa. Tumbuhan dan hewan mendapatkan energi yang diperlukannya dengan cara menguraikan molekul glukosa sehingga energi cahaya yang disimpannya dapat dibebaskan.Proses penguraian molekul glukosa ini disebut pernapasan atau respirasi. Proses respirasi adalah kebalikan dari proses fotosintesis. Pada respirasi molekul glukosa dioksidasi dengan oksigen menjadi CO2,H2O dan energi. C6H12O6 + 6O2 -> 6 CO2 + 6H2O + energi Energi yang dibebaskan dari reaksi respirasi tidak bisa langsung dipergunakan oleh tubuh atau hewan.Energi ini disimpan terlebih dahuku dalam bentuk energi molekul ATP,ATP terbentuk dari reaksi ADP, asamfosfat (Pi) dan energi (yang dihasilkan dari respirasi).ADP + Pi + Energi -> ATP + H2O Energi yang tersimpan dalam molekul ATP inilah yang siap dipakai untuk digunakan di dalam sebagai proses biokimia dan fisiologi tubuh.Bila memerlukan energi untuk suatu proses maka energi tersebut diambil dari molekul ATP ATP + H2O-> ADP + Pi + energi ATP disebut juga pengangut energi universal (Universal Energy Carrier) dalam system biologi. Berikut ini disajikan bagan system energi biologi. Glukosa mempunyai energi potensial kimiawi yang jauh lebih tinggi dibandingkan CO2 dan H2O. Begitu pula ATP mempunyai energi potensial kimiawi lebih tinggi bila dibandingkan dengan ADP. Dengan demikian reaksi fotosintesa adalah bersifat endoterm,sedangkan reaksi pembentukan ATP endoterm dan hidrolisa ATP eksoterm7.2 Pengangkut energi biokimia ATP ATP memegang peranan penting dalam seluruh proses biokimia dan fisiologi tubuh sebagai bahan bakar untuk memenuhi kebutuhan energi setiap proses tersebut. ATP adalah suatu nukleotida khusus yang mengandung adenine,ribose dan tiga gugus fosfat. ATP dan ADP di dalam sel di dalam reaksi biokimia tubuh terdapat sebagai kompleksi ion Mg+2. Pada tahun 1941 lipman mengemukakan konsep senyawa fosfat bercahaya tinggi, yaitu senyawa yang mengandung satu atau beberapa ikatan fosfat berenergi tinggi. Senyawa senyawa di dalam reaksi gidroisa menghasilkan energi yang sangat banyak. Untuk menunjukkan adanya ikatan fosfat berenergi tinggi ini, lipman memperkenalkan symbol P. Dengan demikian ATP dapat ditulis sbb. Ad-P-P-P = ATP Ad-P-P = ADP Ad-P = AMPDari rumus di atas dapat dilihat bahwa ATP mempunyai 2 gugus yang fosfat berenergi tinggi, ADP mempunyai sedangkan AMP tidak memilikinya. Selain ATP, beberapa metbolisme juga mengandung gugus fosfat berenergi tinggi.Karena ATP terletak pada bagian tengah dari table yang berisi daftar energi bebes dari hidrolisa beberapa senyawa fosfat berenergi tinggi, maka ATP bisa bertindak sebagai donor gugus fosfat berenergi tinggi untuk terbentuknya senyawa sebelah bawah ATP dalam tabel.

Senyawa K kal/mol Fosfoenol piruvat -14,8 Karbonil fosfat -12,3 1,3.Bifosfogliserat -11,8 Kreatin fosfat -10,3 Asetil Fosfat -10,1 Arginin fosfat -8,0 ATP--------ADP + Pi -7,3 Glukosa -1-fosfat -6,0 Fruktosa 6 fosfat -3,8 Glukosa 6 fosfat -3,3 Gliseral 3- fosfat -2,2

Sebaliknya ADP dapat pula bertindak sebagai akseptor gugus fosfat dari senyawa sebelah atas ATP dalam tabel. Hubungan donor akseptor gugus fosfat ini dapat dilukiskan di dalam suatu siklus ADP/ATP di bawah ini.

Untuk kebutuhan energi tubuh ,ATP disintesa terutama dari proses fosforilasi oksidatif di dalam organel mitokondria (dibicarakan pada bagian 6.5)

7.3 Reaksi Kimia Mitokondria Dari pendahuluan kita sudah mengetahui bahwa fungsi kimia mitokondria adalah pabrik energi (pusat respirasi)dimana zat makanan terutama karbohidrat (glukosa) dengan bantuan oksigen diubah menjadi CO2,H2Odan energi Dalam pengaliran bilogi maka mitokondria berada pada rantai paling ujung yang berfungsi untuk mensintesa ATP sebagai bahan bakar yang siap dipakai bagi tubuh. Pada kloroplast energi cahaya matahari ditangkap melelui siklus calven,energi ini disimpan ke dalam senyawa karbon tereduksi glukosa.Sebalikmya di dalam mitokondria melalui proses fosforilasi oksidatif, energi yag tersimpan di dalam senyawa karbon tereduksi glukosa dipindahkan ke dalam molekul-molekul ATP. Bagaiman prosesnya mitokondria mensintesa ATP?Secara keseluruhannya pertanyaan baru akan terjawab pada bab-bab berikut.Tetapi garis besar reaksi kin=mia mitokondria dapat diikuti dari gambit bagan di dalam VI-6.Mitokondria terdiri dari 2 bagian 2 yaitu matriks dan membrane dalam. Di dalam matriks berlangsung reaksi-reaksi ini menghasilkan NADH dan mitokondria.Pada membran dalam berlangsung transport electron-electron dan fosforilasi oksidatif.Dalam mensintesa ATP reaksi kimia mitokondria berlangsung dalam 2 tahap.1. Tahap-tahap reaksi yang menghasilkan NADH dan FADH2.2. Tahap-tahap reaksi transport electron dan fosfalirasi oksidatif.ATP dihasilkan dalam tahap fosfolirasi oksidatif.

NADH dan FADH2 sudah kita bicarakan dalam bab. NADH terbentuk dari NAD+ dangan mengambil sebuah hidrogen dari substrat,sadangkan FADH2 terbentuk dari FAD dengan mengambil 2 atom hidrogen dari substrat.

a. NAD + Substrar H----NADH+ H+substrat (kehilangan 2 H)b. FAD + substrar-H---FADH2+substrat (kehilangan 2 H)

(subsrat dalam reaksi a dan b berasal dari reaksi-reaksi siklus asam sitrat dan oksidasi asam lemak). Sebuah molekul metabolit asetil KoA setela memasuki siklus asam sitrat akan menghasilkan 3 molekul NADH dan 1 molekul FADH.

Reaksi-reaksi yang lebih terperinci diberikan dalam bab berikut.

7.4 Tranport elektron Pada membran dalam mitokondria erdapat satu seri katalis enzim-enzim yang dikenal dengan nama rantai pernapasan yang berfungsi mentranspor elektron (dari hidrogen) kepada oksigen yang kemudian membentuk molekul air. Enzim-enzim rantai pernapasan adalah termasuk enzim redukto-oksidase yaitu enzim sitokorm-oksidase a,a3,b,c,dan c1.Enzim sitokrom mengandung ion besi yang bisa berubah dari besi II menjadi III atau sebaliknya dari basi III menjadi besi II apabila menangkap sebuah elektron.

Rantai pernapasan dimulai dari NADH atau FADH2 yang memindahkan hidrogen kepada koenzim Q. FADH2 berlangsung memberikan hidrogennya kepada koenzim Q sedangkan NADH memberikan hidrogennya terlebih dahulu kepada FMN (flavin mono nukleotida) kemudian FMN memindahkan hidrogen tersebut kepada koenzim Q.

Selanjutnya Koenzim Q mengirimkan eloktron hidrogen ke dalam rantai enzim-enzim sitokron ini mereduksi 1 atom oksigen dan berubah menjadi O-2 yang dengan 2 ion H+ membentuk 1 molekul air.

7.5 Fosporilasi Oksidatif Elektron yang mengalir dari satu sitokrom kelain sitokrom dalam rantai pernapasan menghasilkan energi potensial redoks yang dapat menggerakkan reaksi sintesa ADP menjadi ATP(fosforilasi).Reaksi ini disebut fosfolirasi oksidstif karena energi yang diperlukan untuk reaksi fosforilasi oksidatif ini di peroleh dari raeksi redoks (pengaliran elektron) dalam sitokrom.

Reaksi okidatif berlangsung pada tiga tempat dalam reaksi-reaksi rantai pernapasan yaitu:

Antara NAD dan FMN Antara sitokrom b dan c Antara sitokrom c dan kompleks sitokrom a dan a,NADH di dalam rantai pernapasan menghasilkan tiga molekul ATP dan FADH2 menghasilkan 2 melekul ATP.

7.6 Metabolisme Basal Metabolisme basal dan basal metabolisme rate (BMR) adalah berhubungan dengan energi yang digunakan oleh tubuh dalam kondisi basal,yaitu tubuh dan dalam keadaan istirahat serta dalam keadaan berpuasa ( sebelumnya tidak makan sekitar 14-18 jam ).Pada keadaan basal tubuh semata-mata diperlukan untuk keperluan mempertahankan proses biokimia dan fungsi fisiologsis tubuh saja.Metabolismebasal bervariasi dengan ukuran tubuh,umur dan kelamin.Tingkat metabolisme basal (BMR)dinyatakan dalam 3 cara, yaitu: Kilokalori atau luas permukaan tubuh per meter per jam. Banyak liter oksigen yang dikonsumsi atau luas permukaan tubuh perjam. Persentase dibawah atau diatas BMR rata-rata

BMR rata-rata pria untuk umur 20-30 tahun kurang 40 kalori per meter bujur sangkar permukaan tubuh perjam,atau 8,3 liter oksigen yang dikonsiumsi per meter bujusangkar permukaan tubuh per jam.Lebih atau kurang 10% dari batas rata-rata dianggap BMR dalam keadaan normal.

7.7 SDA (Specific Dynamic Action) Merupakan jumlah kalori yang dibutuhkan untuk mencernakan makanan.SDA ini bergantung pada jenis atau jumlah makanan.Protein mempunyai nilai SDA paling besar dan lemak mempunyai nilai SDA paling kecil. 25 gram protein setara dengan 100 kalori memerlukan untuk SDAsaja 30 kalori.Artinya kalau kita memakan protein senilai 100 kalori maka kita harus melebihkannya menjadi 130 kalori sebab untuk SDA 30.Untuk 100 kalori karbohidrat hanya memerlukan SDA 6 kalori lemak memerlukan SDA 4 kalori. Dalam menghitung kalori dari makanan dianjurkan memeperhitungkan SDA sebanyak 5-10 %, khusus untuk makanan berprotein tinggi SDA supaya diperhitungkan sebesar 15%.

7.8 Kebutuhan Kalori Tubuh Dalam memperhitungkan kalori yang dibutuhkan tubuh setiap hari dihitung berdasarkan 3 hal berikut: BMR-bergantung pada umur,kelamin,ukuran tubuh . SDA-bergantung pada komposisi makanan. Kegiantan otot tubuh-bergantung kepada makanan. Contoh pehitungan kalori tubuh:

Tidur 8 jam(65 kalori per jam) 520 kalori Bekerja 8 jam (210 kalori per jam) 1680 kalori 2 jam olahraga ringan (170 kalori per jam) 340 kalori Duduk santai 6 jam (100 kalori per jam) 600 kalori3140 kalori

SDA 6% 188 kaloriJumlah kebutuhan kalori satu hari 3328 kalori

Dibawah ini diberikan beberapa daftar kegiatan dengan kalori yang dibutuhkan per jam.Kegiatan Kalori per jam

Duduk35

Membaca40

berdiri40

Perkerja rumah tangga110

Berjalan 235

Berjalan (cepat)550

Naik tangga 1000

Menggergaji kayu380

Mengetik75

Menjahit70

Membaca145

Asam piruvat,molekul dengan 3 atom c diubah menjadi asetil- KoA yang terdiri dari 2 atom c, yang seterusnya di dalam siklus asam sitrat diuraikan menjadi 2molekul CO2.

Dari perubahan asam piruvat menjadi asetil KoA dihasilkan pula2 hidrogen (sebagai NADH dan ion H).Dalam siklus asam sitrat dihasilkan 8 hidrogen,(1 molekul FADH,3 NADH dan 3 ion H).Di samping itu dari siklus asam sitrat dihasilkan pula sebuah molekul GTP (guanidin tripospat).

Enzim-enzim dari reaksi asam piruvat menjadi asetil KoA dan enzim-enzim dari siklus asam sitrat berlangsung di dalam matriks mitokondria. Ini berarti bahwa semu reaksi siklus berlangsung di dalam matriks mitokondria.

Hidrogen yang di hasilkan dari siklus asam sitrat selanjutnya di dalam sistem transport elektron dengan bantuan oksigen diubah menjadi H2O (sudah dibicarakan sebelumnya). Dalam kondisi ketiadaan atau kekurangan oksigen (anaerob) maka reaksi perubahan hidrogen menjadi H2O akan terlambat.