Materi Biologi Tentang Katabolisme

Katabolisme merupakan reaksi penguraian molekul-molekul kompleks menjadi molekul-molekul yang lebih sederhana. Contohnya makanan yang kita makan harus dipecah atau dirombak menjadi molekul yang lebih sederhana.

Bahan makanan karbohidrat akan dipecah menjadi glukosa, protein akan dipecah menjasi asam amino, lemak akan dipecah menjadi asam lemak serta gliserol.

Katabolisme terbagi menjadi 3 bagian yaitu:

1. Katabolisme karbohidrat

2. Katabolisme protein

3. Katabolisme lemak

1. Katabolisme Karbohidrat

Katabolisme karbohidrat merupakan pemecahan molekul-molekul karbohidrat dimulai saat pencernaan makanan di saluran  pencernaan. Pada saat demikian, molekul-molekul karbohidrat kompleks (polisakarida) akan diuraikan menjadi molekul-molekul sederhana (monosakarida).

Dalam perombakan, katabolisme akan dihasilkan energi dalam bentuk ATP (Adenosine triphosphate). 

ATP adalah senyawa kimia yang menyimpan energi utama untuk aktivitas sel berupa pembelahan sel dan transportasi zat. 

Selain untuk aktivitas sel, ATP yang dihasilkan dari reaksi katabolisme akan digunakan dalam reaksi anabolisme, misalnya sintesis amilum, lemak dan protein.

Reaksi katabolisme karbohidrat terdiri dari dua yaitu:

1. Respirasi

Respirasi merupakan peristiwa oksidasi biologis yang menggunakan oksigen sebagai penerima elektron terakhirnya. Dalam proses ini oksigen direduksi menjadi air.

Karbohidrat merupakan sumber utama bagi tubuh yang sarat akan kalori. Karbohidrat juga berperan dalam penyediaan energi bagi tubuh kita. 

Hal ini disebabkan oleh karena semua jenis karbohidrat baik itu monosakarida, disakarida maupun polisakarida yang dikonsumsi manusia akan terkonversi menjadi glukosa dalam hati.

Untuk dapat menghasilkan energi, proses metabolisme glukosa akan berlangsung melalui dua mekanisme yaitu proses anaerobik dan proses aerobik. 

Proses metabolisme secara anaerobik akan berlangsung di dalam sitoplasma.

Metabolisme karbohidrat secara Aerob yaitu Respirasi.

Respirasi pada sel kita berlangsung dalam mitokondria dengan bahan dasarnya glukosa.

Respirasi sel ini juga disebut oksidasi hidrat arang. Dalam prosesnya, proses oksidasi hidrat arang ini akan berlangsung melalui beberapa tahap yaitu antara lain: glikolisis, dekarboksilasi oksidatif/reaksi transisi, daur krebs/daur asam sitrat, dan rantai pengangkut elektron/sistem transpor elektron. 

2. Fermentasi

Anda sudah pernah mendengar fermentasi bukan?Contoh yang umumdari proses fermentasi adalah proses Pembuatan Tape atau minuman beralkohol. 

Fermentasi merupakan proses penguraian senyawa organik untukmemperoleh energi tanpa menggunakan oksigen sebagai akseptor elektron terakhirnya. 

Sebagai pengganti oksigen, digunakan senyawa antara misalnya asam piruvat atau asetaldehid untuk mengikat elektron terakhirnya.

Karena tidak menggunakan oksigen, fermentasi disebut juga respirasi anaerob.

Respirasi anaerob adalah suatu proses pembebasan energi yang tersimpan dalam bahan bakar organik (misalnya karbohidrat) melalui serangkaian reaksi tanpa menggunakan oksigen. 

Reaksi pada respirasi anaerob tidak melibatkan oksigen sehingga digunakan senyawa tertentu, seperti asam piruvat (3 C) atau asetaldehida (2 C) sebagai akseptor (penerima) elektron akhir dan mengikat H+.

Ada banyak macam jenis fermentasi. Biasanya, macam fermentasi didasarkan pada hasil akhir dan substratnya, misalnya fermentasi alkohol dan fermentasi asam laktat. 

Substrat fermentasi yang paling umum adalah karbohidrat, misalnya glukosa, akan terbentuk asam piruvat yang merupakan senyawa antara yang utama.

Pernahkan anda membuat tapai? Apa yang dihasilkan dari proses pembuatan tapai? Pembuatan tapai termasuk dalam fermentasi alkohol karena pada peristiwa ini dihasilkan alkohol. Fermentasi alkohol terutama dilakukan oleh ragi atau khamir, misalnya saccharomyces. Khamir ini bersifat anaerob fakultatif, artinya hidup secara aerob, tetapi dapat juga hidup dan tumbuh secara anaerob jika tidak ada oksigen bebas.

Proses fermentasi alkohol berlangsung pada kondisi anaerob sehingga asam piruvat terbentuk pada akhir glikolisis tidak berubah menjadi asetil koenzim A. Asam piruvat akan mengalami dekarboksilasi menjadi asetaldehid dengan dikatalisis oleh enzim piruvat dehydrogenase. Asetaldehid kemudian mengalami reduksi menjadi alkohol dengan bantuan enzim alkohol dehidrogenase.

Ada banyak macam jenis fermentasi. Biasanya, macam fermentasi didasarkan pada hasil akhir dan substratnya, misalnya fermentasi alkohol dan fermentasi asam laktat. 

Substrat fermentasi yang paling umum adalah karbohidrat, misalnya glukosa, akan terbentuk asam piruvat yang merupakan senyawa antara yang utama. 

1) Fermentasi Alkohol

Pernahkan anda membuat tapai? Apa yang dihasilkan dari proses pembuatan tapai? Pembuatan tapai termasuk dalam fermentasi alkohol karena pada peristiwa ini dihasilkan alkohol. Fermentasi alkohol terutama dilakukan oleh ragi atau khamir, misalnya saccharomyces. Khamir ini bersifat anaerob fakultatif, artinya hidup secara aerob, tetapi dapat juga hidup dan tumbuh secara anaerob jika tidak ada oksigen bebas. 

Proses fermentasi alkohol berlangsung pada kondisi anaerob sehingga asam piruvat terbentuk pada akhir glikolisis tidak berubah menjadi asetil koenzim A. Asam piruvat akan mengalami dekarboksilasi menjadi asetaldehid dengan dikatalisis oleh enzim piruvat dehydrogenase. Asetaldehid kemudian mengalami reduksi menjadi alkohol dengan bantuan enzim alkohol dehidrogenase.

Asam piruvat   piruvat dehidrogenase     asetaldehid + CO2

Asetaldehid + NADH + H+   alkohol dehidrogenase  etanol     + NAD+

Selama proses fermentasi alkohol dihasilkan energi dalam bentuk ATP, tetapi jumlahnya lebih sedikit dibandingkan respirasi aerob, yaitu hanya dua ATP untuk setiap molekul glukosa. Hal itu disebabkan NADH+ H+ tidak masuk ke mitokondria untuk fosforilasi oksidatif. 

Perubahan dari kondisi anaerob menjadi aerob dapat mengurangi atau dapat menghentikan pembentukan alkohol. Hal ini disebabkan dalam kondisi anaerob, khamir melakukan fermentasi dan dalam keadaan aerob khamir melakukan respirasi.

Secara singkat, reaksi fermentasi alkohol dapat ditulis sebagai berikut:

Glukosa      enzim        etanol (etil alkohol) + 2CO2 + 2 ATP

Selain untuk membuat tapai, fermentasi alkohol juga digunakan untuk membuat roti dan minuman beralkohol, misalnya bir, anggur (wine), serta tuak.

Dalam pembuatan anggur, sari buah anggur yang mengandung gula difermentasikan menjadi alkohol. Proses fermentasi tersebut berhenti saat konsentrasi alkohol meningkat di atas 15% karena akan membunuh sel-sel khamir. 

2) Fermentasi Asam Laktat

Dalam proses fermentasi asam laktat, asam piruvat tidak diubah menjadi asetil KoA untuk diteruskan ke siklus krebs, tetapi diubah menjadi asam laktat. Proses perubahan asam piruvat menjadi asam laktat dikatalisis oleh enzim laktat dehydrogenase.

Asam piruvat + NADH + H+  laktat dehidrogenase      asam laktat + NAD+

Fermentasi asam laktat umumnya umumnya dilakukan oleh mikroorganisme, misalnya bakteri. Bakteri yang dapat melakukan fermentasi asam laktat dikelompokkan dalam bakteri asam laktat atau lactobacillaceace, contohnya lactobacillus bulgaricus dan loctabacillus casei.

Fermentasi asam laktat dapat terjadi dalam sel-sel otot. Jika bekerja terlalu keras, sel-sel otot kita akan mengalami kekurangan pasokan oksigen. Akibatnya, terjadi kondisi anaerob. Dalam kondisi demikian, sel-sel otot melakukan fermentasi asam laktat untuk melakukan ATP.

Namun, jika jumlahnya dalam otot terlalu banyak, asam laktat dapat menyebabkan rasa lelah atau kejang pada otot. Pada saat tubuh beristirahat, asam laktat dibawah oleh darah menuju hati untuk dioksidasi kembali menjadi asam piruvat dan kemudian mengalami respirasi aerob menjadi karbondioksida dan air.

Pada fermentasi asam laktat dihasilkan dua ATP untuk setiap molekul glukosa. Hal itu disebabkan NADH + H+ dari proses glikolisis digunakan untuk mereduksi asam piruvat menjadi asam laktat. Secara ringkas, reaksi fermentasi asam laktat dari bahan glukosa dapat ditulis sebagai berikut:

Glukosa + 2ADP    enzim      2 asam laktat + 2H2O + 2ATP

2. Katabolisme Lemak dan Protein

Selain karbohidrat, lemak dan protein juga dapat dirombak untuk memperoleh energi. Perombakan atau katabolisme protein menghasilkan energi lebih sedikit dibandingkan karbohidrat, sedangkan katabolisme lemak menghasilkan energi dua kali lebih banyak per unit massa.

a. Katabolisme Lemak

Lemak merupakan satu sumber energi bagi tubuh, bahkan kandungan energi paling tinggi di antara sumber energi lain, yaitu sebesar 9 kkl/gram. Energi hasil pemecahan lemak menyumbangkan sekitar 40% dari kebutuhan energi. Perombakan lemak di mulai saat lemak berada di dalam sistem pencernaan makanan. 

Lemak akan diromnak menjadi asam lemak dan gliserol. Dari kedua senyawa tersebut asam lemak mengandung sebagian besar energi, yaitu sekitar 95%, sedangkan gliserol hanya mengandung sekitar 5% dari total energi lemak. Untuk dapat menghasilkan energi, asam lemak akan mengalami oksidasi yang terjadi didalam mitokondria, sedangkan gliserol dirombak secara glikolisis. 

Gliserol dalam glikolisis akan diubah kembali menjadi dihidroksi aseton fosfat. Oksidasi asam lemak juga melalui lintasan akhir yang dilalui oleh karbohidrat, yaitu siklus krebs.

Setelah berada di dalam mitokondria, asam lemak akan mengalami oksidasi untuk menghasilkan energi. Oksidasi asam lemak terjadi dalam dua tahap, yaitu oksidasi asam lemak yang menghasilkan residu asetil KoA dan oksidasi asetil KoA menjadi karbondioksida melalui siklus krebs.

1) Oksidasi Asam Lemak yang Menghasilkan Residu asetil KoA

Reaksi ini disebut juga beta oksidasi. Padahal tahap ini asam lemak akan mengalami potongan dua unit karbon berturut-turut secara bersama secara oksidatif yang dimulai dari ujung karboksil asam lemak. 

Dari setiap pemotongan akan dihasilkan unit asetil berkarbon dua, yaitu asetil KoA. Sebagai contoh, asam lemat palmitat yang memiliki 16 karbon akan mengalami pemotongan sebanyak 7 kali sehingga akan dihasilkan 7 setil KoA. 

Pada akhir pemotongan, 2 karbon yang terakhir juga akan dibentuk menjadi asetil KoA sehingga total asetil KoA yang dihasilkan ada 8 buah. Setiap terbentuk satu molekul asetil KoA akan dibebaskan 4 atom hidrogen. Reaksi oksidasi asam lemak palmitat yang terjadi pada tahap pertama ini dapat diringkas sebagai berikut:

Palmitoil-S-KoA + 7 KoA-SH + 7 O2 + 35 Pi +35 ADP  

8 asetil-S-KoA + 35 ATP + 4 + 42 H2O

2) Oksidasi Asetil KoA Menjadi Karbon Dioksida melalui Siklus Krebs

Pada tahap kedua ini, asetil KoA akan dioksida menjadi karbondioksida dan air melalui siklus krebs yang juga terjadi di dalam mitokondria. Kedua tahap oksidasi asam lemak ini akan menyebabkan adanya aliran melalui rantai transport elektron dan akan dihasilkan ATP dari ADP melalui mekanisme fosforilasi oksidatif. Reaksi kimia yang terjadi pada tahap kedua ini dapat diringkas sebagai berikut:

8 asetil-S-KoA + 16 O2 + 96 Pi + 96 ADP 

8 KoA-SH + 96 ATP + 104 H2O + 16 CO2

Reaksi oksidasi sempurna satu molekul asam lemak palmitat adalah sebagai berikut:

Palmitoil –S-KoA + 23 O2 + 131 ADP

KoA-SH + 131 ATP + 16 CO2 + 146 H2O

Dengan melihat persamaan reaksi oksidasi asam lemak tersebut, kita menjadi tahu bahwa oksidasi 1 molekul asam lemak (15 atom karbon) menghasilkan energi yang besar, yaitu 131 ATP. Jumlah tersebut jauh lebih besar dari pada oksidasi 1 molekul glukosa (6 atom karbon) yang hanya menghasilkan 38 ATP.

b. Katabolisme Protein

Protein merupakan biomolekul yang tersusun atas asam-asam amino. Meskipun protein bukan merupakan sumber energi utama bagi tubuh, oksidasi asam amino dapat memberikan sekitar 10% dari total energi yang diperlukan oleh tubuh. 

Di dalam sistem percernaan makanan, protein dapat diuraikan/dirombak oleh enzim protase menjadi peptide-peptida yang lebih sederhana, yaitu asam-asam amino. Selanjutnya, asam-asam amino tersebut mengalami deaminasi, yaitu pemutusan gugus amino (-NH2)dari asam amino. 

Asam-asam amino mengalami deaminasi oksidatif di dalam sel-sel hati. Pada mamalia, gugus amino hasil deaminasi diubah menjadi ammonia (NH3) dan diekskresikan dalam bentuk urea. Sementara itu, rantai (rangka) karbon yang tersisa masuk ke jalur respirasi glukosa melalui beberapa titik, bergantung pada jumlah atom karbonnya. 

Sebagai contoh, asam-asam amino glisin, serin, alanine, sistein, dan treonin mengalami deaminasi menjadi asam piruvat. 

Asetil KoA merupakan pintu masuk ke jalan respirasi bagi asam amino tirosin, fenilalanin, lisin, dan triptofan. Asam-asam amino asparagine dan aspartate diubah menjadi asam oksaloasetat dan masuk ke siklus krebs. Adapun asam-asam amino glutamin, glutamat, prolin, arginin, dan histidin masuk ke siklus krebs melalui asam ketoglutarat.

Sekian dulu materi tentang contoh dari katabolisme yaitu fermentasi. Semoga bermanfaat. Terima kasih..

Tugas Teka-Teki Silang Metabolisme

Penyusun : Thom Fallo

Sumber: Buku Biologi SMA

Share :