Reaksi katabolisme adalah reaksi pemecahan suatu senyawa kompleks menjadi senyawa sederhana. Katabolisme berfungsi untuk memecah senyawa menjadi energi, air, dan CO2. Tujuan dari pemecahan tersebut adalah untuk menghasilkan senyawa ATP.

Ini merupakan senyawa yang berperan sebagai pembawa energi atau pembawa elektron di dalam tubuh. Ada beberapa jenis reaksi kimia katabolisme yang terjadi pada tubuh manusia, yaitu katabolisme karbohidrat, fruktolisis, beta oksidasi, ketolisis, dan oksidasi asam amino.

Katabolisme Karbohidrat

Katabolisme karbohidrat merupakan proses pemecahan karbohidrat untuk menghasilkan ATP. Proses katabolisme ini ada 4 tahap, yaitu glikolisis, dekarboksilasi oksidatif, TCA (siklus krebs), dan fosforilasi oksidatif.

1. Glikolisis

Glikolisis adalah proses pertama dari katabolisme karbohidrat. Pemecahan glukosa menjadi energi yang dibutuhkan dalam metabolisme seluler.

Makanan pokok yang dikonsumsi oleh manusia mengandung karbohidrat. Ketika masuk ke dalam tubuh, nutrisi ini tidak langsung berubah menjadi tenaga yang dibutuhkan untuk beraktivitas.

Supaya bisa berubah menjadi energi, karbohidrat harus dipecah terlebih dahulu menjadi bentuk yang lebih sederhana. Senyawa ini perlu melalui berbagai tahapan, yang mana salah satunya adalah proses glikolisis.

Proses glikolisis terdiri atas fase yang membutuhkan energi, kemudian diikuti dengan fase yang melepas energi itu sendiri. Proses ini terjadi di dalam sitoplasma sel dengan hasil akhir, yaitu:

  • 2 asam piruvat
  • 2 ATP
  • 2 H2O
  • 2 NADH.

2. Dekarboksilasi Oksidatif

Dekarboksilasi oksidatif adalah reaksi yang mengubah asam piruvat yaitu senyawa beratom karbon tiga menjadi senyawa asetil koenzim A (asetil KoA). Dari tahapan pertama metabolisme sel (glikolisis) dihasilkan sejumlah produk, salah satunya adalah asam piruvat.

Dalam reaksi dekarboksilasi oksidatif, asam tersebut masuk ke dalam mitokondria dan diubah menjadi molekul asetil KoA. Reaksi ini sering juga disebut sebagai reaksi antara, yaitu reaksi yang menghubungkan antara glikolisis dengan siklus krebs.

Bahkan, beberapa literatur juga ada yang mengatakan bahwa reaksi dekarboksilasi oksidatif termasuk bagian dari siklus krebs. Reaksi ini menghasilkan:

  • 2 asetil KoA
  • 2 molekul CO2
  • 2 NADH

3. TCA di Mitokondria

Tricarboxylic Acid (TCA) Cycle juga dikenal dengan siklus krebs. Proses ini terjadi di mitokondria dan bahan bakarnya adalah asetil KoA. Enzim, air dan hormon berperan sebagai katalis dalam reaksi ini. Asetil KoA bisa diperoleh dari glukosa, asam lemak atau asam amino.

 

Penggambaran siklus krebs, dengan bahan bakar asetil KoA

Dalam satu kali siklus krebs, menghasilkan:

  • 3 NADH
  • 1 FADH2
  • 2 CO2
  • 1 ATP

Pada reaksi dekarboksilasi oksidatif menghasilkan 2 asetil KoA. Alhasil, dari reaksi dekarboksilasi oksidatif hingga siklus krebs, menghasilkan:

  • 6 NADH
  • 2 FADH2
  • 4 CO2
  • 2 ATP

4. Fosforilasi Oksidatif

Fosforilasi oksidatif atau transpor elektron adalah tahap lanjutan dari siklus krebs. Ini merupakan tahap terakhir pada katabolisme karbohidrat. Pada tahap ini terjadi pengubahan NADH dan FADH2 menjadi energi yang berbentuk ATP agar bisa digunakan oleh tubuh.

Tempat berlangsungnya tahapan transpor elektron berada di bagian mitokondria, tepatnya di membran dalam (kristae) mitokondria. Bentuk bahan bakar pada reaksi ini adalah NADH, FADH dan O2. Reaksi ini akan dikatalis oleh enzim dan dikendalikan oleh hormon.

Secara singkat, transport elektron akan memfasilitasi pergerakan proton (ion H+) dari matriks menuju intermembran mitokondria. Proton tersebut akan menumpuk di intermembran dan menyebabkan perbedaan gradien konsentrasi di intermembran dan matriks mitokondria.

Ketika hal ini berlangsung, proses kemiosmosis akan terjadi untuk menghasilkan ATP, yaitu ketika proton masuk ke matriks mitokondria melalui ATP sintase. Selain menghasilkan ATP, proses ini juga akan mengubah ion H+ menjadi air yang merupakan salah satu hasil dari respirasi aerob.

Transpor elektron melibatkan beberapa komponen, antara lain:

 

  • Kompleks multiprotein

 

Sebagian besar komponen transpor elektron adalah protein yang disebut sebagai kompleks multiprotein bernomor I sampai IV, yaitu:

  • Kompleks I, yaitu NADH dehidrogenase
  • Kompleks II, yaitu suksinat dehidrogenase)
  • Kompleks III, yaitu koenzim Q-Cyt C reduktase
  • Kompleks IV, yaitu sitokrom oksidase 

Kompleks I, III, dan IV, akan bertindak sebagai protein integral yang menembus lipid bilayer (struktur intermembran yang memisahkannya dengan matriks mitokondria). Sedangkan, kompleks II merupakan kompleks protein perifer yang tertanam pada salah satu sisi membran mitokondria.

 

  • Transporter elektron

 

Terdapat 2 molekul atau protein karier yang berperan dalam proses transport elektron, yaitu Q10 dan Cyt C. Q10 (ubiquinon) bertugas membawa elektron dari kompleks protein I atau II menuju kompleks protein III.

Sedangkan Cyt C bertugas membawa elektron dari kompleks protein III menuju kompleks protein IV.

 

  • ATP sintase

 

Merupakan enzim berupa kumpulan protein yang berfungsi dalam kemiosmosis dengan rantai transpor elektron terdekat.

Jenis Reaksi Katabolisme Lainnya

Selain katabolisme karbohidrat, ada juga beberapa katabolisme lainnya, antara lain:

1. Beta Oksidasi

Beta oksidasi adalah pemecahan rantai karbon asam lemak menjadi asetil KoA. Reaksi beta oksidasi terjadi di semua sitoplasma sel, kecuali sel otak. Setiap siklus pemecahan asam lemak membutuhkan energi 1 ATP.

Asam lemak umumnya mempunyai rantai karbon yang panjang, contohnya asam lemak palmitat dengan 16 atom karbon. Dalam reaksi beta oksidasi, asam lemak palmitat akan mengalami pemecahan menjadi asetil KoA dengan 2 atom karbon. Maka 1 asam lemak palmitat akan menghasilkan 8 asetil KoA.

Tubuh manusia memiliki jaringan adiposa yang berfungsi untuk menyimpan cadangan lemak (trigliserida), yang tersusun atas gliserol dan 3 asam lemak. Asam lemak inilah yang kemudian akan masuk ke dalam sel dan dimetabolisme menjadi asetil KoA.

Secara keseluruhan mekanisme terjadinya beta oksidasi terbagi menjadi 3 tahap, yang secara berurutan yaitu:

 

  • Tahap transport lemak (trigliserida) dari jaringan adiposa menuju sel target

 

Jaringan adiposa menyimpan trigliserida yang tersusun atas 3 asam lemak dan 1 gliserol. Trigliserida akan masuk ke saluran pembuluh darah kemudian dipecah dengan bantuan enzim lipase menjadi asam lemak dan gliserol.

Selanjutnya, Asam lemak masuk menuju sel target yang bisa memetabolisme asam lemak.

 

  • Tahap aktivasi dan transport asam lemak di dalam mitokondria

 

Asam lemak yang masuk ke dalam sitoplasma sel harus diaktivasi menjadi asetil KoA terlebih dahulu. Kemudian, dimetabolisme di dalam mitokondria. Reaksi ini dikatalis oleh enzim asetil KoA sintase.

Reaksi ini membutuhkan ATP sehingga terjadi perubahan ATP menjadi AMP dan melepaskan pirofosfat. Namun asil KoA tidak dapat begitu saja menembus membran mitokondria.

Molekul tersebut harus dibawa oleh pembawa (karier) yang disebut karnitin. asetil KoA akan berikatan dengan karnitin membentuk asil karnitin dan menembus membran mitokondria.

Di dalam mitokondria, asil karnitin akan bereaksi dengan koenzim A sehingga terbentuk asetil KoA dan karnitin kembali. Karnitin kemudian akan keluar mitokondria untuk membawa asetil KoA yang lainnya.

 

  • Tahap beta oksidasi di dalam matriks mitokondria

 

Asam lemak terdiri atas gugus karboksil (COOH) dan rantai panjang dari atom karbon dan hidrogen. Atom karbon pertama yang terikat langsung dengan gugus karboksil disebut sebagai alfa-karbon. Lalu, atom karbon kedua disebut sebagai beta-karbon.

Disebut reaksi beta oksidasi karena tujuannya adalah memutus rantai antara alfa-karbon dan beta-karbon. Asetil KoA yang telah masuk mitokondria kemudian akan mengalami beta oksidasi dengan langkah-langkah sebagai berikut:

  1. Asetil KoA akan diubah menjadi enoil KoA oleh enzim Asetil KoA dehidrogenase. Pada reaksi ini FAD akan menarik 2 molekul H menjadi FADH2.
  2. Enoil KoA kemudian diubah menjadi hidroksiasil KoA oleh enzim enoil KoA hidratase. Terdapat penambahan molekul H2O pada reaksi ini
  3. Hidroksiasil-KoA diubah menjadi ketoasil KoA oleh enzim hidroksiasil KoA dehidrogenase. Molekul H akan dilepaskan dan ditangkap oleh NAD menjadi NADH + H+.
  4. Ketoasil KoA kemudian akan dipotong menjadi asetil KoA dan sisa asam lemak dengan bantuan enzim tiolase.
  5. Asetil KoA akan lepas dan masuk siklus krebs untuk menghasilkan energi, sedangkan sisa asam lemak akan mengulangi reaksi dari awal agar dapat menghasilkan asetil KoA lainnya.

2. Ketolisis

Ketolisis adalah pemecahan badan keton yang diproduksi oleh liver menjadi ATP. Proses ini terjadi pada seluruh sel kecuali liver. Badan keton adalah bahan bakar buatan tubuh manusia yang digunakan pada saat sel tubuh kekurangan glukosa dan asam lemak.

Ketolisis bisa disebut sebagai fitur pertahanan kehidupan, karena tubuh berusaha menghasilkan energi meskipun kekurangan glukosa dan asam lemak. Reaksi ini akan mengubah asetoasetat dan β-hidroksibutirat di jaringan perifer (otot, otak, dll) menjadi 2 molekul asetil KoA.

Mula-mula asetoasetat dan β-hidroksibutirat akan dibawa ke jaringan perifer. β-hidroksibutirat akan dioksidasi menjadi asetoasetat dengan enzim β-hidroksibutirat dehidrogenase yang juga memproduksi NADH.

Asetoasetat kemudian memperoleh koenzim A dari suksinil KoA yang berasal dari siklus krebs. Asetoasetat kemudian berubah menjadi asetoasetil KoA dengan bantuan enzim suksinil KoA: 3-ketoacid coenzyme A transferase (SCOT).

Enzim SCOT tidak tersedia di liver, itulah sebabnya ketolisis tidak terjadi di liver. Asetoasetil KoA kemudian dikonversi menjadi 2 molekul asetil KoA.

3. Oksidasi Asam Amino

Saat kekurangan karbohidrat dan lemak, tubuh akan menggunakan asam amino sebagai sumber energi. Tidak seperti glukosa, asam lemak dan keton, reaksi pembakaran asam amino lebih sulit karena memerlukan pelepasan gugus amin (NH2) dan membutuhkan senyawa lain.

Gugus amin ini dibuang karena bersifat toksik bagi tubuh. Ada 2 tahap pelepasan gugus amin dari asam amino, yaitu:

 

  • Transaminasi

 

Tahapan pertama adalah transaminasi. Pada tahap ini, enzim aminotransferase memindahkan amin kepada α-ketoglutarat menghasilkan glutamat atau kepada oksaloasetat menghasilkan aspartat.

 

  • Deaminasi oksidatif

 

Pelepasan amin dari glutamat menghasilkan ion amonium. Setelah mengalami pelepasan gugus amin, asam-asam amino dapat memasuki siklus asam sitrat melalui jalur yang beraneka ragam.

Gugus-gugus amin dilepaskan menjadi ion amonium (NH4+) yang selanjutnya masuk ke dalam siklus urea di hati. Dalam siklus ini dihasilkan urea yang selanjutnya dibuang melalui ginjal berupa urin.

Asam amino digunakan bahan pembangun sel, hormon dan enzim. Apabila sel terpaksa membakar asam amino, maka residu amonia harus segera diubah menjadi nitrat dan proses tersebut membutuhkan SGPT dan SGOT.

4. Fruktolisis

Fruktolisis adalah reaksi pemecahan 1 molekul fruktosa menjadi 2 asetil KoA. Reaksi ini terjadi di sitoplasma sel liver. Hal tersebut terjadi karena fruktosa yang masuk ke dalam tubuh, sebagian besar, diterima oleh liver.

Di dalam liver, fruktosa akan dibentuk menjadi lemak. Apabila tubuh terlalu banyak mengkonsumsi fruktosa, tentunya akan mengakibatkan beban liver semakin berat. Hasil akhir dari reaksi fruktolisis sama dengan hasil akhir pada reaksi glikolisis, yaitu:

  • 2 ATP
  • 2 NADH
  • 2 H2O
  • 2 asam piruvat

 

Mengetahui jenis-jenis reaksi katabolisme dapat memberikan sejumlah manfaat bagi diri sendiri. Pengetahuan ini dapat digunakan untuk merencanakan diet, memahami kondisi kesehatan, dan meningkatkan performa olahraga.