Saturday, March 24, 2012

BIOKIMIA PANGAN 5 (STKIP Muhammadiyah Sorong 2012)


Bab. IV.
Glikolisis

17.1 Jalur keseluruhan Glikolisis
Glikolisis adalah tahap metabolisme glukosa dalam organisme dari bakteri ke manusia, dan itu adalah jalur biokimia. Pada glikolisis, satu molekul glukosa diubah menjadi fruktosa-1 ,6-bifosfat selanjutnya menghasilkan dua molekul piruvat (Gambar. 4.1). Jalur glikolisis (juga disebut jalur Embden-Meyerhoff) melibatkan banyak langkah, termasuk reaksi di mana metabolit glukosa yang teroksidasi. Setiap reaksi dalam jalur dikatalisis oleh enzim spesifik. Dalam setiap dua reaksi dalam jalur metabolisme glikolisis satu molekul ATP dihidrolisis untuk setiap dimetabolisme molekul glukosa. Dalam setiap dua reaksi lain, dua molekul ATP yang diproduksi oleh fosforilasi ADP untuk setiap molekul glukosa, memberikan hasil total empat molekul ATP. Sebuah perbandingan jumlah molekul ATP digunakan dengan hidrolisis (dua) dan jumlah yang dihasilkan (empat) menunjukkan bahwa output mendapatkan dua molekul ATP untuk setiap molekul glukosa yang diproses dalam glikolisis. Glikolisis memainkan peran kunci dalam organisme melakukan cara mengekstrak energi dari nutrisi.

Gambar. 4.1. Satu molekul glukosa diubah menjadi dua molekul piruvat. Dibawah kondisi aerobik, piruvat dioksidasi menjadi CO2 dan H2O oleh siklus asam sitrat dan fosforilasi oksidatif. Sedangkan dibawah kondisi anaerob, laktat yang dihasilkan terutama dalam otot. Fermentasi alkohol terjadi pada ragi. NADH yang dihasilkan dalam konversi glukosa untuk piruvat yang reoksidasi ke NAD+ di reaksi berikutnya dari piruvat.

Ketika piruvat yang terbentuk, dapat memiliki salah satu dari beberapa bahan fates (Gambar. 1). Di metabolisme aerobik dengan adanya oksigen terjadi piruvat kehilangan karbon dioksida. Sisa dua atom karbon menjadi berikatan dengan koenzim A sebagai kelompok asetil untuk membentuk asetil-KoA, yang kemudian memasuki siklus asam sitrat. Ada dua bahan fates untuk piruvat dalam metabolisme anaerobik (tidak adanya oksigen). Dalam organisme mampu fermentasi alkohol dengan cara fermentasi piruvat yang kehilangan karbon dioksida menghasilkan asetaldehida yang pada gilirannya direduksi menghasilkan etanol. Lemak dari piruvat lebih umum dalam metabolisme anaerobik yakni reduksi untuk menghasilkan laktat, yang disebut anaerobik glikolisis untuk membedakannya dari konversi glukosa menjadi piruvat, yang hanya disebut glikolisis. Metabolisme anaerobik adalah sumber energi hanya di sel darah merah mamalia, serta di beberapa jenis bakteri, seperti Lactobacillus dalam asam susu dan Clostridium botulinum pada makanan kaleng yang tercemar.
Pada semua reaksi, konversi glukosa menjadi produk reaksi oksidasi, yang memerlukan reaksi reduksi yang menyertainya di mana NAD + diubah menjadi NADH. Rincian glukosa untuk piruvat dapat diringkas sebagai berikut:
Glukosa (enam atom karbon) → 2 Piruvat (Tiga atom karbon)
2ATP +  4ADP + 2Pi  → 2ADP + 4ATP (Fosforilasi)
Glukosa  + 2ADP + 2Pi → 2 Piruvat + 2ATP (hasil reaksi)
Gambar. 4.2 menunjukkan urutan reaksi dengan nama-nama senyawa.
Langkah reaksi glikolisis.
Langkah 1. Fosforilasi glukosa untuk memberikan glukosa-6-fosfat (ATP adalah sumber dari gugus fosfat).
Glukosa + ATP → Glukosa-6-fosfat + ADP
Langkah 2. Isomerisasi glukosa-6-fosfat untuk memberikan fruktosa-6-fosfat.
Glukosa-6-fosfat → Fruktosa-6-fosfat
Langkah 3. Fosforilasi fruktosa-6-fosfat untuk menghasilkan fruktosa-1,6-bisfosfat (ATP adalah sumber dari gugus fosfat).
Fruktosa-6-fosfat + ATP → Fruktosa-1,6-bifosfat + ADP

Langkah 4. Pembelahan fruktosa-1,6-bifosfat untuk menghasilkan dua fragmen 3-karbon, gliseraldehida-3-fosfat dan dihidroksiaseton fosfat.
Fruktosa-1,6-bifosfat → gliseraldehida-3-fosfat + Dihidroksiaseton fosfat
Langkah 5. Isomerisasi dihidroksiaseton fosfat menghasilkan gliseraldehida-3-fosfat. Dihidroksiaseton fosfat gliseraldehida 3-3-fosfat
Langkah 6. Oksidasi (dan fosforilasi) dari gliseraldehida-3-fosfat untuk menghasilkan 1,3-bisfosfogliserat.
Gliseraldehida-3-fosfat + NAD+ + Pi  NADH+ 1,3-bisfosfogliserat + H+
Langkah 7. Transfer gugus fosfat dari 1,3-bisfosfogliserat ke ADP (Fosforilasi ADP menjadi ATP) untuk menghasilkan 3-bisfosfogliserat.
1,3-bisfosfogliserat + ADP → 3-bisfosfogliserat + ATP
Langkah 8. Isomerisasi 3-bisfosfogliserat memberikan 2-bisfosfogliserat.
3-bisfosfogliserat 2-bisfosfogliserat
Langkah 9. Dehidrasi dari 2-bisfosfogliserat untuk memberikan fosfofenolpiruvat.
2-fosfogliserat fosfofenolpiruvat + H2O
Langkah 10. Pemindahan gugus fosfat dari fosfofenolpiruvat ke ADP (Fosforilasi ADP menjadi ATP) untuk menghasilakan piruvat.
fosfofenolpiruvat + ADP → Piruvat + ATP
Perhatikan bahwa hanya satu dari 10 langkah pada jalur ini melibatkan reaksi transfer elektron.

Gambar. 4.2. jalur glikolisis. (1) Fosforilasi glukosa dan konversi untuk dua molekul gliseraldehida-3-fosfat, 2 ATP digunakan untuk mendorong reaksi ini. (2). Konversi gliseraldehida-3-fosfat untuk piruvat dan pembentukan ditambah dari empat molekul ATP.

KONVERSI ENAM KARBON GLUKOSA UNTUK TIGA KARBON GLISERALDEHIDA-3-FOSFAT
Langkah pertama dari jalur glikolitik mempersiapkan transfer elektron dan akhirnya fosforilasi ADP; reaksi ini memanfaatkan energi bebas hidrolisis ATP. Gambar. 4.3. meringkas bagian dari jalur, yang sering disebut fase persiapan glikolisis. Reaksi mengubah glukosa-6-fosfat menjadi gliseraldehida-3-fosfat:

Langkah 1. Glukosa terfosforilasi untuk memberikan glukosa-6-fosfat. Itu fosforilasi glukosa merupakan reaksi endergonik.
Glukosa + Pi → Glukosa-6-fosfat + H2O ΔG°' = 13,8 kJ mol-1 = 3,3 kkal mol-1
Hidrolisis ATP adalah eksergonik.
ATP + H2O → ADP + Pi;  ΔG°' = -30,5 kJ mol-1 = -7,3 kkal mol-1
Dua reaksi yang digabungkan, sehingga keseluruhan reaksi adalah jumlah dari dua dan merupakan eksergonik.
Glukosa + ATP  → Glukosa-6-fosfat + ADP
ΔG°' = (13,8 + -30,5) kJ mol-1 = -16,7 kJ mol-1 = -4,0 kkal mol-1
 
Ingat bahwa ΔGo dihitung dibawah keadaan standar dengan konsentrasi semua reaktan dan produk 1 M kecuali ion hidrogen. Jika melihat yang sebenarnya ΔGo dalam sel, jumlahnya bervariasi tergantung pada jenis sel dan keadaan metabolik, tetapi nilai khas untuk reaksi ini adalah -33,9 kJ mol-1 atau -8,12 kkal mol-1. Dengan demikian reaksi biasanya lebih menguntungkan dalam kondisi selular. Tabel. 1 memberikan  ΔG°' dan nilai-nilai ΔG untuk semua reaksi glikolisis anaerobik dalam eritrosit.
Reaksi ini mengilustrasikan penggunaan energi kimia awalnya diproduksi oleh oksidasi nutrisi dan akhirnya terjebak oleh fosforilasi ADP menjadi ATP. Ingat bahwa ATP tidak mewakili energi yang tersimpan, hanya sebagai arus listrik tidak mewakili energi yang tersimpan. Energi kimia nutrisi dilepaskan oleh oksidasi dan dibuat tersedia untuk digunakan langsung pada permintaan oleh energy sebagai ATP. Enzim yang mengkatalisis reaksi ini adalah heksokinase. Kinase panjang adalah diterapkan pada kelas enzim ATP-dependent yang mentransfer gugus fosfat dari ATP ke substrat. Substrat heksokinase tidak selalu glukosa; melainkan, bisa salah satu dari sejumlah heksosa, misalnya glukosa, fruktosa, dan manosa. Glukosa-6-fosfat menghambat aktivitas heksokinase, ini adalah titik kontrol di jalur tersebut. Beberapa organisme atau jaringan berisi beberapa isozim dari heksokinase. Satu isoform dari heksokinase ditemukan di hati manusia, disebut glukokinase, menurunkan kadar glukosa darah setelah seseorang makan.
Glukokinase hati membutuhkan tingkat substrat jauh lebih tinggi untuk mencapai jenuh dari tidak terbentuk heksokinase. Karena itu, ketika tingkat glukosa yang tinggi, hati dapat
memetabolisme glukosa melalui glikolisis secara istimewa
untuk dilimpahkan jaringan lain. Ketika tingkat glukosa rendah, heksokinase masih aktif di semua jaringan.
Perubahan konformasi besar terjadi di heksokinase ketika substrat terikat. Telah ditunjukkan oleh kristalografi sinar-X, dengan tidak adanya substrat, dua lobus enzim yang mengelilingi situs pengikatan yang cukup jauh terpisah. Ketika glukosa terikat, kedua lobus bergerak lebih dekat bersama, dan glukosa menjadi hampir sepenuhnya dikelilingi oleh protein (Gambar. 4.4). Jenis perilaku adalah konsisten dengan teori tindakan induksi enzim. Dalam semua kinase yang struktur diketahui, celah menutup ketika substrat terikat.
Langkah 2. Glukosa-6-fosfat berisomerisasi untuk menghasilkan fruktosa-6-fosfat. Glukosefosfat Isomerase adalah enzim yang mengkatalisis reaksi ini. C-1 gugus aldehida glukosa-6-fosfat direduksi dengan gugus hidroksil, dan C-2 gugus hidroksil teroksidasi menghasilkan gugus keton fruktosa-6-fosfat, tanpa bersih oksidasi atau reduksi. Bentuk-bentuk terfosforilasi, glukosa-6-fosfat dan fruktosa-6-fosfat masing-masing adalah aldosa dan ketosa.
 
 
Langkah 3. Fruktosa-6-fosfat lebih lanjut terfosforilasi menghasilkan fruktosa-1,6-bifosfat. Seperti dalam reaksi pada Langkah 1, reaksi endergonik dari fosforilasi fruktosa-6-fosfat digabungkan dengan reaksi eksergonik hidrolisis ATP, dan reaksi keseluruhan eksergonik. Lihat Tabel.4.1.
 

Reaksi dimana fruktosa-6-fosfat terfosforilasi untuk menghasilkan fruktosa-1,6-bifosfat adalah satu di mana gula mengarah ke glikolisis. Glukosa-6-fosfat dan fruktosa-6-fosfat dapat berperan dalam jalur lainnya, tetapi fruktosa-1,6-bifosfat tidak. Setelah fruktosa-1,6-bifosfat terbentuk dari gula asli, tidak ada jalur lain yang tersedia, dan molekul harus menjalani sisa reaksi glikolisis. Fosforilasi fruktosa-6-fosfat sangat eksergonik dan tidak dapat diubah, dan enzim  fosfofruktokinase, enzim yang mengkatalisis itu, adalah enzim pengatur kunci dalam glikolisis.
Fosfofruktokinase merupakan tetramer yang mengikuti aturan umpan balik alosterik. Ada dua jenis subunit, dilambangkan  M dan L, yang dapat bergabung menjadi tetramers untuk menghasilkan permutasi yang berbeda (M4, M3L, M2L2, ML3, dan L4). Kombinasi dari subunit adalah disebut sebagai isozim, dan isozim memiliki perbedaan fisik dan kinetik  (Gambar. 4.5). Subunit sedikit berbeda dalam komposisi asam amino, sehingga dua isozim dapat dipisahkan satu sama lain dengan elektroforesis.Bentuk tetrameric yang terjadi pada otot dilambangkan M4, sedangkan di hati dilambangkan L4. Pada sel darah merah, beberapa kombinasi dapat ditemukan.
Orang yang tidak memiliki gen yang mengarahkan sintesis dari bentuk M dari
enzim yang dapat membawa pada glikolisis di hati mereka, tetapi pengalaman karena kelemahan otot mereka tidak memiliki enzim dalam otot.

 
Gambar. 4.5. Isozim mungkin dari fosfofruktokinase


Ketika laju reaksi fosfofruktokinase diamati di berbagai konsentrasi substrat (fruktosa-6-fosfat), diperoleh kurva sigmoidal khas enzim alosterik. ATP adalah efektor alosterik dalam reaksi. Tingginya kadar ATP menekan laju reaksi, dan rendahnya tingkat ATP merangsang reaksi (Gambar. 4.6). Ketika ada ATP tingkat tinggi dalam sel, banyak dari energi kimia tersedia secepatnya dari hidrolisis ATP. Sel tidak perlu memetabolisme glukosa untuk energi, sehingga kehadiran ATP menghambat jalur glikolisis. Ada juga yang lain, alosterik efektor dari fosfofruktokinase. Ini efektor adalah fruktosa-2,6-bifosfat.

 
Gambar. 6. Efek alosterik di fosfofruktokinase. Pada tinggi [ATP], fosfofruktokinase berperilaku kooperatif, dan plot aktivitas enzim berbanding [fruktosa-6- fosfat] adalah sigmoidal. Tinggi [ATP] sehingga menghambat PFK, penurunan afinitas enzim untuk fruktosa-6-fosfat.

Langkah 4. Fruktosa-1,6-bifosfat dipecah menjadi dua fragmen tiga-karbon. Reaksi Pembelahan  itu adalah kebalikan dari kondensasi aldol; enzim yang mengkatalisis disebut Aldolase. Dalam enzim yang diisolasi dari sumber hewan, rantai dasar sisi dari sebuah residu lisin memainkan peran kunci penting dalam mengkatalisis reaksi ini. Gugus Tiol sistein ini juga bertindak sebagai dasar reaksi ini.
 
Langkah 5. Dihidroksiaseton fosfat diubah menjadi gliseraldehida-3- fosfat.


Enzim yang mengkatalisis reaksi ini adalah triosephosphate isomerase. (Kedua dihidroksiaseton dan gliseraldehida adalah triosa.)
Satu molekul gliseraldehida-3-fosfat telah diproduksi oleh reaksi Aldolase, kami sekarang memiliki molekul kedua dari gliseraldehida-3- fosfat, yang dihasilkan oleh reaksi triosephosphate isomerase. Asli molekul glukosa, yang berisi enam atom karbon, kini telah diubah untuk dua molekul gliseraldehida-3-fosfat, masing-masing berisi tiga atom karbon.
Nilai ΔG untuk reaksi ini dalam kondisi fisiologis sedikit positif (2,41 kJ mol-1 atau 0,58 kkal mol-1). Mungkin tergoda untuk berpikir bahwa reaksi tidak akan terjadi dan glikolisis yang akan berhenti di langkah ini.
Kita harus ingat bahwa sama seperti ditambah reaksi yang melibatkan hidrolisis ATP
menambahkan nilai-nilai ΔG mereka bersama-sama untuk reaksi secara keseluruhan, glikolisis terdiri dari banyak reaksi yang nilai ΔG sangat negatif yang dapat mendorong reaksi sampai selesai. Sebuah reaksi glikolisis memiliki sedikit kecil, nilai-nilai ΔG positif (lihat Tabel. 4.1), tetapi empat reaksi harus sangat besar, nilai negatif, sehingga ΔG yang untuk seluruh proses adalah negatif.

Gliseraldehida-3-fosfat Apakah dikonversi ke Piruvat

Pada titik ini, sebuah molekul glukosa (senyawa enam karbon) yang masuk ke
jalur telah dikonversi menjadi dua molekul gliseraldehida-3-fosfat. Perlu diketahui bahwa di seluruh jalur dua molekul dari masing-masing tiga senyawa karbon mengambil bagian dalam setiap reaksi untuk setiap glukosa awal molekul. Gambar. 4.7 merangkum bagian kedua dari jalur, yang sering disebut sebagai fase hasil dari glikolisis, karena ATP diproduksi sebagai gantinya  dari yang digunakan dalam fase ini.

 
Gambar.  4.7. Fase kedua dari glikolisis

Langkah 6. Gliseraldehida-3-fosfat dioksidasi menjadi 1,3-bisfosfogliserat.

Reaksi ini, reaksi karakteristik glikolisis, harus melihat lebih dekat. Ini melibatkan penambahan gugus fosfat untuk gliseraldehida-3-fosfat serta reaksi transfer elektron, dari gliseraldehida-3-fosfat ke NAD+.
Reaksi setengah dari oksidasi adalah dari aldehid menjadi gugus asam karboksilat, di mana air dapat dianggap untuk mengambil bagian dalam reaksi.

RCHO + H2O → RCOOH + 2H+ + 2e

Reaksi setengah dari reduksi adalah NAD+ menjadi NADH.

NAD+ + 2H+ + 2e- NADH + H+

Reaksi redoks keseluruhan adalah

RCHO + H2O + NAD+ → RCOOH + H+ + NADH

di mana R menunjukkan bagian masing-masing dari molekul selain aldehida dan gugus asam karboksilat. Reaksi oksidasi adalah eksergonik di bawah kondisi standar (ΔG°' = -43,1 kJ mol-1 = -10,3 kkal mol-1), tetapi oksidasi hanya bagian dari reaksi keseluruhan.
Gugus fosfat yang dihubungkan dengan gugus karboksil tidak membentuk ester, karena sebuah hubungan membutuhkan ester alkohol dan asam. Sebaliknya, gugus asam karboksilat dan asam fosfat membentuk campuran anhidrida dua asam akibat hilangnya air,

3-fosfogliserat + Pi → 1,3-bisfosfogliserat + H2O

di mana zat yang terlibat dalam reaksi berada dalam bentuk terionisasi yang sesuai pada pH 7. Perhatikan bahwa ATP dan ADP tidak muncul dalam persamaan. Sumber dari gugus fosfat adalah ion fosfat itu sendiri, bukan ATP. Reaksi fosforilasi adalah endergonik dalam kondisi standar (ΔG°' =  49,3 kJ mol-1 = 11,8 kkal mol-1).
Reaksi secara keseluruhan, termasuk transfer elektron dan fosforilasi, adalah


Mari kita menunjukkan dua reaksi yang membentuk reaksi ini.