Biologi Universitas — Tahun 1 · Bachelor Year 1

16Biosintesis dan Sel yang Terpadu

Pada pukul delapan pagi sebuah hati sedang mengubah gula sarapan menjadi glikogen dan lemak; pada pukul tiga dini hari berikutnya hati yang sama sedang membuat gula dari asam amino otot lalu mencurahkannya ke dalam darah bagi sebuah otak yang tidak makan apa pun selama sembilan jam. Tak ada yang berubah pada enzimnya; yang berubah adalah enzim mana yang dinyalakan. Bab-bab sebelumnya membongkar molekul sel; bab ini menyusunnya kembali — sintesis gula, glikogen, lemak dan asam amino — lalu bertanya bagaimana sebuah sel, dan sebuah organisme, memutuskan pada tiap saat lintasan mana yang berjalan. Jawabannya adalah sehimpunan kecil mata uang bersama, beberapa enzim di persimpangannya, dan hormon yang memberi tahu tiap sel keadaan keseluruhannya.

16.1 Apa yang dibutuhkan sebuah sintesis

Proposisi 16.1 (Ketiga tuntutan anabolisme)

Tiap biosintesis memerlukan kerangka karbon, yang ditarik dari segelintir zat antara glikolisis dan daur Krebs; daya reduksi, yang dipasok sebagai NADPH; dan energi, yang dipasok sebagai ATP. Karena itu katabolisme dan anabolisme bertemu di persimpangan yang sama — glukosa-6-fosfat, triosa fosfat, piruvat, asetil-KoA, $\alpha$ -ketoglutarat, oksaloasetat — tetapi berjalan pada enzim yang terpisah pada langkah tak berbaliknya, sehingga tiap arahnya dapat disakelar sendiri-sendiri, dan keduanya memakai koenzim yang terpisah bagi elektronnya: NADH, yang dijaga teroksidasi, untuk membawa elektron pergi dalam katabolisme; NADPH, yang dijaga tereduksi, untuk menyerahkannya dalam sintesis.

Definisi 16.2 (Lintasan pentosa fosfat)

Lintasan pentosa fosfat dalam sitosol mengoksidasi glukosa-6-fosfat menjadi ribulosa-5-fosfat dan $\mathrm{CO_2}$ , sambil mereduksi dua $\mathrm{NADP^+}$ menjadi NADPH; cabangnya yang tak mengoksidasi lalu saling mengubah gula fosfat berkarbon lima, empat, enam dan tujuh, sehingga sel dapat membuat ribosa-5-fosfat bagi nukleotidanya ketika ia memerlukan pentosa, NADPH ketika ia memerlukan daya reduksi (sintesis lemak, pertahanan terhadap pengoksidasi), atau keduanya, lalu mengembalikan sisanya ke glikolisis. Ia sumber utama NADPH dalam sel hewan; pada tumbuhan reaksi terang kloroplasnya memasok NADPH pada siang hari.

Persimpangan metabolisme. Enam pusat lintasan pusatnya (biru) menerima bahan bakar serta simpanan (jingga) dan memasok tiap biosintesis (hijau). Glukoneogenesis (merah) menjalankan bagian tengah petanya ke atas.

16.2 Membuat glukosa: glukoneogenesis

Definisi 16.3 (Glukoneogenesis)

Glukoneogenesis membuat glukosa dari prazat bukan karbohidrat — laktat, piruvat, gliserol dan kerangka karbon sebagian besar asam amino — di dalam hati (dan sedikit di ginjal). Ia menjalankan glikolisis mundur lewat ketujuh langkahnya yang berbalikan dan memintasi ketiga langkah tak berbaliknya dengan enzim yang berbeda: piruvat dikarboksilasi menjadi oksaloasetat (dalam mitokondria, satu ATP) lalu didekarboksilasi menjadi fosfoenolpiruvat (satu GTP); fruktosa-1,6-bisfosfat dihidrolisis menjadi fruktosa-6-fosfat; glukosa-6-fosfat dihidrolisis menjadi glukosa bebas, yang meninggalkan selnya. Tiap glukosa: 6 setara ATP dan 2 NADH, berhadapan dengan 2 ATP yang dihasilkan glikolisis — harga menjalankan lintasan menurun secara mendaki.

Glikolisis dan glukoneogenesis berbagi tujuh reaksi yang berbalikan dan berbeda pada tiga reaksi yang tak berbalik, yang masing-masing dipintasi sebuah enzim tersendiri. Enzim yang terpisah berarti kendali yang terpisah: hati dapat menyalakan satu arah dan memadamkan yang lain.

Proposisi 16.4 (Apa yang dapat dan tak dapat menjadi glukosa)

Laktat, gliserol, dan asam amino yang menghasilkan piruvat atau zat antara daur Krebs (semuanya kecuali leusina dan lisina) dapat diubah menjadi glukosa. Asam lemak tidak, pada hewan: oksidasi $\beta$ -nya memberikan asetil-KoA, yang kedua karbonnya masuk ke daurnya lalu pergi sebagai dua $\mathrm{CO_2}$ sebelum ada oksaloasetat yang diperoleh, sehingga tak ada rute bersih dari asetil-KoA ke gula. Tumbuhan, jamur dan bakteri memiliki daur glioksilat, sebuah jalan pintas yang melewatkan kedua dekarboksilasinya dan membuat sebutir biji berminyak yang berkecambah dapat mengubah lemaknya menjadi gula yang dibutuhkan kecambahnya. Sebaliknya seekor mamalia yang kelaparan harus membuat glukosanya dari protein.

Contoh 16.5 (Daur Cori)

Sebuah otot yang berlari cepat memfermentasi glikogennya menjadi laktat, yang masuk ke darah; hati menyerap laktat itu, mengoksidasinya menjadi piruvat, membuat glukosa darinya dengan 6 ATP tiap glukosa, lalu mengembalikan glukosanya ke darah agar ototnya memakainya lagi. Ototnya memperoleh 2 ATP tiap glukosa tanpa oksigen dan menyerahkan tagihan 6 kepada hatinya, yang membayarnya dengan oksigen tanpa tergesa-gesa: “utang oksigen” sebuah lari cepat sebagian besar dilunasi di dalam hati.

16.3 Menimbun: glikogen dan lemak

Definisi 16.6 (Sintesis glikogen)

Glukosa ditimbun sebagai glikogen dengan mengaktifkan glukosa-6-fosfat menjadi UDP-glukosa (satu UTP), yang ditambahkan glikogen sintase pada ujung tak mereduksi pohon yang sudah ada; sebuah enzim pencabang memotong lalu memasangkan kembali rantai pendek untuk membuat cabang $\alpha(1{\to}6)$ -nya (Bab 10). Sintase dan fosforilasenya diatur ke arah yang berlawanan oleh isyarat yang sama: fosforilasi yang menyalakan fosforilase memadamkan sintasenya, sehingga pohonnya tak pernah dibangun dan dibongkar sekaligus.

Definisi 16.7 (Sintesis asam lemak)

Asam lemak dibuat dalam sitosol dari asetil-KoA yang diekspor dari mitokondria. Asetil-KoA karboksilase, langkah yang diatur, mengarboksilasinya (satu ATP) menjadi malonil-KoA; asam lemak sintase lalu menambahkan dua karbon pada satu waktu dari malonil-KoA pada rantai yang sedang tumbuh, sambil mereduksi tiap penambahannya dengan dua NADPH, sampai palmitat (C16) dilepaskan: 8 asetil-KoA, 7 ATP dan 14 NADPH tiap palmitat. Pemanjangan dan penakjenuhan dalam retikulum endoplasma membuat asam yang lain; pengesteran dengan gliserol-3-fosfat (dari triosa fosfat) membuat trigliserida. Lintasannya bukanlah oksidasi $\beta$ yang dibalik: enzimnya berbeda, ruangnya berbeda, malonil-KoA alih-alih asetil-KoA, NADPH alih-alih $\mathrm{FADH_2}$ dan NADH — dan malonil-KoA menghambat pengangkutan asam lemak ke dalam mitokondria, sehingga sebuah sel tidak membuat lemak sekaligus membakarnya.

Contoh 16.8 (Lemak dari gula)

Sebuah hati yang diberi glukosa lebih banyak daripada yang dapat ditimbunnya sebagai glikogen membuat lemak: glukosa menjadi piruvat menjadi asetil-KoA (sambil kehilangan sepertiga karbonnya sebagai $\mathrm{CO_2}$ dan memperoleh ATP), asetil-KoA menjadi palmitat dengan biaya ATP itu dan NADPH dari lintasan pentosa fosfatnya, palmitat menjadi trigliserida yang dikirim ke jaringan lemak. Sekitar $15\,\%$ energi gulanya hilang dalam pengubahannya; sisanya ditimbun sembilan kali lebih padat daripada glikogen (Bab 9). Kebalikannya — lemak menjadi gula — mustahil.

16.4 Nitrogen: asam amino dan nukleotida

Definisi 16.9 (Asimilasi nitrogen, transaminasi)

Amonium masuk ke materi organik hampir seluruhnya lewat glutamat: glutamat dehidrogenase menambahkannya pada $\alpha$ -ketoglutarat, dan glutamina sintetase menambahkan yang kedua pada rantai samping glutamat (satu ATP), sehingga membuat glutamina. Dari kedua penyumbang itu, transaminase (aminotransferase, dengan koenzim vitamin B $_6$ ) memindahkan gugus aminonya ke asam $\alpha$ -keto mana pun, sehingga membangun asam amino dari kerangka karbon lintasan pusatnya: keluarga glutamat dari $\alpha$ -ketoglutarat, keluarga aspartat dari oksaloasetat, alanina dan serina dari piruvat serta 3-fosfogliserat. Tumbuhan dan bakteri membuat kedua puluhnya; hewan telah kehilangan lintasan panjang menuju sembilan di antaranya, yaitu asam amino esensial, dan mengambilnya dari makanan. Transaminase yang sama, yang dijalankan mundur, melucuti nitrogen dari asam amino yang berlebih untuk diekskresikan sebagai amonia (ikan), urea (mamalia) atau asam urat (burung, serangga).

Contoh 16.10 (Nukleotida)

Sebuah cincin purin dirakit pada ribosa-5-fosfat dari glisina, aspartat, dua glutamina, dua satuan berkarbon satu dan $\mathrm{CO_2}$ , dengan biaya enam ATP; sebuah pirimidin dari aspartat dan karbamoil fosfat. Deoksinukleotida dibuat dari ribonukleotida dengan mereduksi gulanya, memakai NADPH. Sebuah sel yang hendak membelah membuat sekitar $10^{10}$ nukleotida dalam sejam; obat yang menghambat sintesis ini — metotreksat, 5-fluorourasil — menghentikan sel yang membelah lebih dahulu, dan itulah sebabnya obat itu mengobati kanker.

16.5 Mamalia yang terpadu

Proposisi 16.11 (Kenyang dan berpuasa)

Organnya berbagi pekerjaan. Sesudah sebuah santapan, insulin dari pankreas memberi tahu hati agar menimbun glukosa sebagai glikogen lalu mengubah kelebihannya menjadi lemak, memberi tahu otot agar menyerap glukosa dan menimbun glikogen, memberi tahu jaringan lemak agar menyerap lemak; glukosa darahnya, yang telah naik ke $8\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ , kembali ke $5\,$ dalam dua jam. Di antara waktu makan, glukagon memberi tahu hati agar menguraikan glikogennya dan, seiring habisnya glikogen itu, membuat glukosa dari laktat, gliserol serta asam amino, dan memberi tahu jaringan lemak agar melepas asam lemak, yang dibakar otot dan hati menggantikan glukosa; otaknya, yang tak sanggup membakar lemak, tetap memperoleh $120\,\mathrm{g}$ glukosanya sehari. Dalam puasa berhari-hari hati mengubah asam lemak menjadi badan keton, yaitu asam kecil yang dapat dipakai otaknya, dan permintaan glukosa — serta protein yang membuatnya — turun dua pertiga. Mekanisme hormonnya menjadi bagian jilid Tahun ke-2; logika metabolismenya adalah bagian bab ini.

Glukosa darah sepanjang sehari. Tiap santapan menaikkannya selama dua jam sementara insulin menggerakkan penimbunannya; di antara waktu makan dan sepanjang malam, glukagon menjaganya dekat 5\, mmol/ L dari glikogen hati dan glukoneogenesisnya. Titik acuannya bertahan dalam faktor dua. — Glukosa darah sepanjang sehari. Tiap santapan menaikkannya selama dua jam sementara insulin menggerakkan penimbunannya; di antara waktu makan dan sepanjang malam, glukagon menjaganya dekat $5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ dari glikogen hati dan glukoneogenesisnya. Titik acuannya bertahan dalam faktor dua.

Sebuah lobulus hati: lempeng hepatosit yang memancar dari sebuah vena pusat, terendam darah dari usus. Sel itu menimbun glikogen, membuat glukosa, membangun lemak serta badan keton, dan membuang nitrogen — rumah kliring metabolisme tubuh.

Metode 16.12 (Membaca sebuah keadaan metabolik)

Tanyakan bahan bakar mana yang berlimpah: glukosa yang tinggi berarti penimbunan (glikogen, lalu lemak); glukosa yang rendah berarti penggerakan.
Ikuti isyaratnya: insulin mengaktifkan sintase dan menonaktifkan fosforilase serta lipase; glukagon melakukan kebalikannya — sebagian besar lewat fosforilasi enzim yang sama (Bab 13).
Periksa persimpangannya: ATP dan sitrat menghambat PFK lalu membuka glukoneogenesis; AMP melakukan sebaliknya; malonil-KoA menghambat pembakaran lemak selama lemak sedang dibuat; asetil-KoA mengaktifkan karboksilase yang memulai glukoneogenesis.
Bagikan organnya: hati (menimbun, membuat dan mengekspor glukosa; membuat keton dan urea), otot (menimbun glikogen bagi dirinya sendiri, mengekspor laktat dan alanina), jaringan lemak (menimbun dan melepas lemak), otak (membakar glukosa, lalu keton).

16.6 Tumbuhan yang terpadu

Proposisi 16.13 (Sumber dan lubuk)

Pada siang hari kloroplas sehelai daun mengekspor triosa fosfat ke sitosolnya, tempat ia dibuat menjadi sukrosa untuk diekspor dalam floem (Bab 24) ke akar, buah dan ujung yang tumbuh; apa yang tak sanggup dibawa floemnya disimpan dalam kloroplas sebagai pati, sebuah simpanan sementara, lalu digerakkan pada malam hari agar sukrosanya terus mengalir. Bila hati mamalia memutuskan antara glikogen dan ekspor lewat hormon, sehelai daun memutuskan antara pati dan sukrosa lewat aras fosfat dalam sitosolnya, yang mengendalikan pengekspor selubung kloroplasnya. Sebuah tumbuhan mengatur lewat kepekatan metabolitnya sendiri, organ demi organ; mamalia menambahkan sebuah perintah saraf dan hormon atas keseluruhannya.

Sehelai daun beraneka warna sebelum dan sesudah uji iodin: pati (biru kehitaman) hanya dibuat di tempat klorofilnya ada. Kawasan putihnya, yang mengimpor sukrosa dari kawasan hijaunya, tidak membuat pati sendiri.

Contoh 16.14 (Pati semalam)

Sehelai daun menyisihkan sebagai pati sekitar separuh dari yang difiksasinya pada siang hari lalu menguraikannya pada laju yang nyaris tetap sepanjang malam, sehingga simpanannya habis tepat sebelum fajar: perpendeklah malamnya secara buatan dan patinya tersisa; perpanjanglah dan tumbuhannya kelaparan pada jam-jam terakhirnya. Lajunya disetel dalam jam pertama kegelapannya menurut besar simpanannya dan lama malam yang diharapkan — sebuah perhitungan yang dikerjakan dengan enzim dan sebuah jam, dalam sebuah sel yang tak berotak.

16.7 Latihan

Latihan 16.1 ★

Sebutkan ketiga hal yang dibutuhkan sebuah biosintesis dan lintasan yang memasok sebagian besar NADPH sebuah sel hewan.

Solusi

Solusi Latihan 16.1.

Kerangka karbon (dari lintasan pusatnya), daya reduksi (NADPH), energi (ATP). Lintasan pentosa fosfat.

Latihan 16.2 ★

Sebutkan ketiga langkah tak berbalik glikolisis dan enzim yang memintasi masing-masing dalam glukoneogenesis.

Solusi

Solusi Latihan 16.2.

Heksokinase, dipintasi glukosa-6-fosfatase; fosfofruktokinase, oleh fruktosa-1,6-bisfosfatase; piruvat kinase, oleh piruvat karboksilase ditambah PEP karboksikinase.

Latihan 16.3 ★

Dari gambar glukosa darahnya, bacalah puncaknya sesudah sarapan, waktu kembalinya ke $5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ , dan nilai terendahnya semalam.

Solusi

Solusi Latihan 16.3.

Puncaknya sekitar $7.5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ sejam sesudah santapannya; kembali ke $5\,$ sesudah sekitar tiga jam; terendahnya sekitar $4.5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ sebelum sarapan.

Latihan 16.4 ★

Mengapa sebutir biji bunga matahari yang berkecambah dapat membuat gula dari minyaknya dan seorang manusia yang kelaparan tidak?

Solusi

Solusi Latihan 16.4.

Bijinya memiliki daur glioksilat, yang mengubah dua asetil-KoA menjadi satu asam berkarbon empat tanpa kehilangan karbon sebagai $\mathrm{CO_2}$ , lalu dari asam itu membuat gula. Hewan tidak memiliki kedua enzim jalan pintas itu: asetil-KoA-nya masuk ke daur Krebs dan kedua karbonnya pergi sebagai $\mathrm{CO_2}$ sebelum ada oksaloasetat bersih yang muncul.

Latihan 16.5 ★★

Hitunglah biaya ATP membuat satu glukosa dari dua laktat, dan biaya bersih satu putaran daur Cori (otot memperoleh 2, hati membelanjakan 6). Siapa yang membayar, dan dengan apa?

Solusi

Solusi Latihan 16.5.

Enam setara ATP (dua karboksilasi, dua GTP, dua ATP pada langkah fosfogliseratnya) tiap glukosa. Bersih tiap daurnya: $2 - 6 = -4$ ATP. Hati yang membayar, dengan oksigen, sesudah lari cepatnya — ototnya meminjam ATP yang tak sanggup dibuatnya secara aerob pada waktunya.

Latihan 16.6 ★★

Satu palmitat memerlukan 8 asetil-KoA, 7 ATP dan 14 NADPH. Berapa banyak molekul glukosa yang harus melewati glikolisis dan piruvat dehidrogenase untuk memasok asetil-KoA-nya, dan berapa banyak yang lewat lintasan pentosa fosfat (2 NADPH masing-masing) untuk memasok NADPH-nya?

Solusi

Solusi Latihan 16.6.

Tiap glukosa memberikan 2 asetil-KoA: 4 glukosa. Tiap glukosa lewat cabang oksidatifnya memberikan 2 NADPH: 7 glukosa. Sebelas glukosa bagi satu palmitat — empat memasok karbon dan tujuh memasok elektron.

Latihan 16.7 ★★

Jelaskan mengapa sintesis asam lemak dan oksidasi $\beta$ memakai enzim yang berbeda, ruang yang berbeda dan koenzim yang berbeda, serta bagaimana malonil-KoA mencegah keduanya berjalan bersama.

Solusi

Solusi Latihan 16.7.

Enzim yang berbeda membuat tiap arahnya dapat dinyalakan atau dipadamkan sendiri-sendiri; ruang yang berbeda (sitosol bagi sintesisnya, matriks bagi oksidasinya) memisahkan kedua lubuk zat antaranya; NADPH dijaga tereduksi bagi sintesisnya sedangkan NAD dijaga teroksidasi bagi penguraiannya, sehingga tiap arahnya lebih disukai secara termodinamika di tempatnya sendiri. Malonil-KoA, zat antara pertama yang menentukan sintesisnya, menghambat ulang alik karnitin yang membawa asam lemak ke dalam mitokondria: selama lemak sedang dibuat, tak ada yang dibakar.

Latihan 16.8 ★★

Tuliskan transaminasi alanina dengan $\alpha$ -ketoglutarat lalu namailah hasilnya. Arah mana yang berjalan sesudah santapan berprotein, dan mana yang berjalan dalam puasa?

Solusi

Solusi Latihan 16.8.

Alanina $+ \alpha$ -ketoglutarat $\rightleftharpoons$ piruvat $+$ glutamat. Sesudah santapan berprotein, kelebihan alanina menyerahkan nitrogennya kepada glutamat (ke kanan), untuk dibuang sebagai urea dan karbonnya bagi bahan bakar atau glukosa. Dalam puasa, protein otot diuraikan dan gugus aminonya dikumpulkan pada piruvat sebagai alanina (ke kiri dalam otot), dikirim ke hati, lalu di sana diubah kembali menjadi piruvat dan glukosa.

Latihan 16.9 ★★

Seorang pasien kekurangan glukosa-6-fosfatase. Ramalkan pengaruhnya pada glukosa darahnya di antara waktu makan, pada ukuran hatinya, dan pada laktat darahnya, beserta alasannya.

Solusi

Solusi Latihan 16.9.

Hatinya tak sanggup melepas glukosa bebas: glukosa darahnya turun berbahaya di antara waktu makan (hipoglikemia). Glukosa-6-fosfatnya menumpuk lalu dialihkan ke dalam glikogen, yang tak sanggup digerakkan hatinya ke darah: hatinya membesar oleh glikogen. Kelebihan glukosa-6-fosfat itu juga menuruni glikolisis menjadi laktat, yang naik dalam darahnya.

Latihan 16.10 ★★★

Otak memerlukan $120\,\mathrm{g}$ glukosa sehari dan $1\,\mathrm{g}$ protein menghasilkan $0.55\,\mathrm{g}$ glukosa. Hitunglah protein yang akan hilang dari seorang yang berpuasa tiap hari untuk memberi makan otaknya lewat glukoneogenesis saja, dan otot yang diwakilinya ( $20\,\%$ protein). Jelaskan apa yang diubah badan keton, bila keton itu memangkas kebutuhan glukosa otaknya menjadi $40\,\mathrm{g}$ .

Solusi

Solusi Latihan 16.10.

$120/0.55 = 218\,\mathrm{g}$ protein tiap hari, sekitar $1.1\,\mathrm{kg}$ otot. Dengan badan keton, $40/0.55 = 73\,\mathrm{g}$ protein, $360\,\mathrm{g}$ otot: kehilangannya turun dua pertiga, dan ketahanan hidup pada simpanan lemaknya diperpanjang dari beberapa minggu menjadi beberapa bulan.

Latihan 16.11 ★★★

Insulin mengaktifkan glikogen sintase dan menonaktifkan glikogen fosforilase; glukagon melakukan kebalikannya. Jelaskan mengapa keduanya tak dapat aktif sekaligus, apa yang akan terjadi bila demikian (hitunglah ATP yang terbuang tiap daurnya: satu UTP untuk menambahkan sebuah glukosa, tak ada untuk menyingkirkannya), dan untuk apa “daur sia-sia” ini dipakai lebah madu ketika menghangatkan otot terbangnya.

Solusi

Solusi Latihan 16.11.

Untaian fosforilasi yang sama mengaktifkan yang satu dan menonaktifkan yang lain, sehingga isyarat yang membuka satu katup menutup yang lain. Seandainya keduanya aktif, tiap glukosa yang ditambahkan (satu UTP, setara satu ATP) dan disingkirkan (gratis) akan memakan biaya satu ATP tiap putaran dan tidak menghasilkan apa-apa selain kalor. Lebah madu menjalankan justru daur semacam itu (pada fruktosa-6-fosfat) dalam otot terbangnya sebelum lepas landas pada pagi yang dingin, dengan membakar ATP sebagai pemanas sampai ototnya cukup hangat untuk terbang.

Latihan 16.12 ★★★

“Sebuah sel tidak memiliki rencana; ia memiliki katup.” Bahaslah dalam satu paragraf: kendali alosterik dan hormon enzim persimpangannya, peran enzim yang terpisah bagi arah yang berlawanan, dan apa yang muncul darinya yang tampak seperti sebuah rencana.

Solusi

Solusi Latihan 16.12.

Tiap enzim persimpangan hanya menanggapi molekul di sekelilingnya — ATP, AMP, sitrat, asetil-KoA, sebuah fosfat yang ditaruh sebuah kinase padanya — lalu membuka atau menutup sesuai dengan itu; enzim yang terpisah bagi kedua arahnya berarti membuka satu arah dapat menutup yang lain. Tak ada enzim yang tahu tentang sarapan atau otaknya; namun jumlah tanggapan setempat itu adalah bahwa hati menimbun sesudah santapan, melepas pada malam hari, menghemat protein dalam puasa: sebuah siasat yang taat asas, tanpa ahli siasat. “Rencananya” adalah susunan kabel katupnya, yang dipilih seleksi, dan hormon yang menyetel banyak katup sekaligus itulah yang membuat organismenya bertindak sebagai satu.

16.8 Soal: Dua Puluh Empat Jam Seorang Manusia

Soal 16.1

Soal akhir pekan — sehari tanpa sarapan: simpanannya yang ditimbang, otaknya yang diberi makan, proteinnya yang dihitung dan lemaknya yang digerakkan, berakhir pada berapa jam puasa yang dapat ditutup glikogen hatinya

Seorang dewasa $70\,\mathrm{kg}$ mengeluarkan $8.4\,\mathrm{MJ}$ sehari ( $100\,\mathrm{W}$ rata-rata) dan memegang: glikogen hati $100\,\mathrm{g}$ , glikogen otot $400\,\mathrm{g}$ , lemak $12\,\mathrm{kg}$ , protein $10\,\mathrm{kg}$ (yang $6\,\mathrm{kg}$ di antaranya dalam otot). Otaknya memakai $120\,\mathrm{g}$ glukosa sehari ( $5\,\mathrm{g}/\mathrm{h}$ ); jaringan lain yang bergantung glukosa (sel darah merah, medula ginjal) $40\,\mathrm{g}$ . Energi: karbohidrat $17\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ , lemak $38\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ , protein $17\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ ; $1\,\mathrm{g}$ protein menghasilkan $0.55\,\mathrm{g}$ glukosa lewat glukoneogenesis; $1\,\mathrm{g}$ lemak menghasilkan $0.1\,\mathrm{g}$ glukosa (dari gliserolnya).

Bagian I — Simpanannya.

Hitunglah energi yang dipegang tiap keempat simpanannya, dalam megajoule, dan berapa hari pengeluaran yang diwakili masing-masing.
Simpanan mana yang dapat memasok glukosa ke darah secara langsung? Mengapa glikogen otot tidak?
Hitunglah total glukosa yang dibutuhkan tubuhnya tiap hari bagi jaringan yang bergantung glukosa.
Hitunglah glukosa dalam darahnya sendiri ( $5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ , $5\,\mathrm{L}$ , $180\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ) dan berapa menit ia akan memberi makan otaknya saja.
Berapa fraksi pengeluaran hariannya yang berupa glukosa otak?
Sesudah sebuah santapan, glikogen hatinya penuh dan glukosa darahnya masih naik. Sebutkan nasib berikutnya glukosa itu dan hormon yang mengarahkannya.

Bagian II — Malamnya. Santapan terakhirnya berakhir pukul 20:00; sejak itu hatinya sendirian memasok glukosa darahnya.

Pada $160\,\mathrm{g}$ glukosa tiap hari, berapa permintaan tiap jam jaringan yang bergantung glukosa?
Berapa lama $100\,\mathrm{g}$ glikogen hati bertahan pada laju itu, bila tak ada yang lain memasok glukosa?
Sesungguhnya glukoneogenesis memasok sekitar sepertiga glukosanya sejak jam-jam pertamanya. Hitunglah ulang lama glikogennya.
Pada pukul berapa pagi harinya glikogen hatinya habis menurut tiap taksirannya?
Sementara itu ototnya membakar asam lemak. Hitunglah lemak yang dioksidasi semalam ( $12\,\mathrm{h}$ ) bila otot itu menanggung $60\,\%$ pengeluaran istirahatnya dan hanya membakar lemak.

Bagian III — Hari berikutnya, tanpa makan.

Dengan glikogennya habis, $160\,\mathrm{g}$ glukosa itu harus datang dari glukoneogenesis. Hitunglah protein yang dibutuhkan tiap hari, dan massa otot yang diwakilinya.
Hitunglah ATP yang dibelanjakan hati untuk membuat $160\,\mathrm{g}$ glukosa dari piruvat (6 ATP tiap glukosa) dan energinya pada $50\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ .
Hitunglah sumbangan gliserol lemaknya: berapa banyak lemak yang dioksidasi tiap hari bila ia menutup seluruh pengeluaran bukan glukosanya, dan berapa banyak glukosa yang dihasilkan gliserolnya?
Hitunglah ulang protein yang dibutuhkan dengan sumbangan gliserolnya dikurangkan.
Pada laju itu, berapa hari sampai separuh ototnya hilang?
Sejak hari ketiga hatinya membuat badan keton dan otaknya mengambil dua pertiga energinya dari keton itu; kebutuhan glukosanya turun ke $40\,\mathrm{g}$ bagi otaknya ditambah $40\,\mathrm{g}$ bagi selebihnya. Hitunglah ulang kehilangan proteinnya tiap hari dan berapa hari sampai separuh ototnya hilang.
Hitunglah berapa hari simpanan lemaknya bertahan pada $8.4\,\mathrm{MJ}$ sehari (nilai itu turun ke $6.5\,\mathrm{MJ}$ dalam puasa yang berkepanjangan: hitunglah ulang).
Jelaskan mengapa seorang yang berpuasa mati karena kehilangan protein sebelum lemaknya habis, dan apa yang ditunda badan keton.

Bagian IV — Katupnya.

Sebutkan enzim hati yang harus aktif pada pukul 03:00 dan tidak aktif pada pukul 09:00, dan enzim yang harus sebaliknya, bagi glikogennya.
Sebutkan isyarat (hormon) yang menyetel keduanya pada tiap arahnya, dan perubahan kimia yang menjadi cara kerjanya.
Sebuah sel hati pada pukul 03:00 memiliki asetil-KoA yang tinggi dari oksidasi lemaknya. Sebutkan enzim glukoneogenesis yang diaktifkannya dan enzim glikolisis yang dihambat ATP pada saat yang sama.
Jelaskan mengapa glukoneogenesis dan glikolisis, yang berjalan sekaligus dalam sel yang sama, hanya akan mengubah ATP menjadi kalor, dan bagaimana enzim yang terpisah pada ketiga pintasannya mencegahnya.
Seorang penderita diabetes tanpa insulin memiliki glukosa darah yang tinggi namun hatinya tetap membuat glukosa dan badan keton. Jelaskan paradoksnya dari katupnya.
Nyatakan hasilnya: berapa jam puasa yang ditutup glikogen hatinya (dengan dan tanpa glukoneogenesis), kehilangan protein hariannya sebelum dan sesudah peralihan ke badan keton, serta berapa hari simpanan lemaknya bertahan.

Solusi

Solusi Soal 16.1.

1. Glikogen hati $100\times 17 = 1.7\,\mathrm{MJ}$ , 0.2 hari; glikogen otot $6.8\,\mathrm{MJ}$ , 0.8 hari; lemak $12\,000\times 38 = 456\,\mathrm{MJ}$ , 54 hari; protein $170\,\mathrm{MJ}$ , 20 hari (tak pernah seluruhnya dapat dipakai). 2. Glikogen hati: hatinya memiliki glukosa-6-fosfatase. Otot tidak memilikinya, sehingga glikogennya hanya menghasilkan glukosa-6-fosfat bagi glikolisisnya sendiri. 3. $120 + 40 = 160\,\mathrm{g}$ tiap hari. 4. $0.005\times 5\times 180 = 4.5\,\mathrm{g}$ : pada $5\,\mathrm{g}/\mathrm{h}$ , sekitar $54\,\mathrm{min}$ . 5. $120\times 17 = 2.0\,\mathrm{MJ}$ , seperempat dari $8.4\,\mathrm{MJ}$ . 6. Pengubahannya menjadi asam lemak dan trigliserida dalam hatinya, yang diekspor ke jaringan lemak; insulin. 7. $160/24 = 6.7\,\mathrm{g}/\mathrm{h}$ . 8. $100/6.7 = 15\,\mathrm{h}$ . 9. Glikogennya memasok dua pertiga, $4.4\,\mathrm{g}/\mathrm{h}$ : $100/4.4 = 22\,\mathrm{h}$ . 10. Pukul 11:00 pagi berikutnya menurut taksiran pertama, 18:00 menurut yang kedua — sepanjang malam pada kedua halnya, dengan selisihnya bergantung pada seberapa dini glukoneogenesisnya mengambil alih. 11. Pengeluaran istirahat selama $12\,\mathrm{h}$ : $4.2\,\mathrm{MJ}$ ; $60\,\%$ -nya $2.5\,\mathrm{MJ}$ ; $2500/38 = 66\,\mathrm{g}$ lemak. 12. $160/0.55 = 290\,\mathrm{g}$ protein, yakni $1.45\,\mathrm{kg}$ otot sehari. 13. $160/180 = 0.89\,\mathrm{mol}$ glukosa; pada 6 ATP masing-masing itu $5.3\,\mathrm{mol}$ ATP, dan pada $50\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ sekitar $265\,\mathrm{kJ}$ — sekitar $3\,\%$ dari $8.4\,\mathrm{MJ}$ sehari: membuat glukosanya murah, dan yang kurang pada tubuhnya adalah kerangka karbonnya, bukan energinya. 14. Pengeluaran bukan glukosanya $8.4 - 160\times 0.017 = 5.7\,\mathrm{MJ}$ : $5700/38 = 150\,\mathrm{g}$ lemak, yang gliserolnya memberikan $15\,\mathrm{g}$ glukosa. 15. $(160 - 15)/0.55 = 264\,\mathrm{g}$ protein, $1.3\,\mathrm{kg}$ otot sehari. 16. $3\,\mathrm{kg}$ protein otot pada $264\,\mathrm{g}$ sehari: sekitar $11\,\mathrm{d}$ . 17. $(80 - 15)/0.55 = 118\,\mathrm{g}$ protein, $0.6\,\mathrm{kg}$ otot sehari; separuh ototnya dalam $25\,\mathrm{d}$ — dan dalam praktik kehilangannya turun lebih jauh, ke $20\text{ to }30\,\mathrm{g}$ sehari, seiring tubuhnya berhemat. 18. $456/8.4 = 54$ hari; pada $6.5\,\mathrm{MJ}$ , 70 hari. 19. Protein bukanlah sebuah simpanan melainkan mesinnya: kehilangan sepertiganya (otot pernapasan, jantung, protein kekebalan) bersifat fatal, dan pada $100\,\mathrm{g}$ sehari atau lebih hal itu terjadi dalam beberapa minggu, sedangkan lemaknya akan bertahan dua bulan. Badan keton membuat otaknya dapat berjalan pada lemak, memangkas permintaan glukosanya dan dengan itu kehilangan proteinnya menjadi sepertiga, serta merentangkan ketahanan hidupnya ke arah batas yang ditetapkan lemaknya. 20. Glikogen fosforilase aktif pada pukul 03:00, glikogen sintase pada pukul 09:00. 21. Glukagon (03:00) dan insulin (09:00); fosforilasi kedua enzimnya oleh untaian kinase, yang dibalik sebuah fosfatase. 22. Asetil-KoA mengaktifkan piruvat karboksilase; ATP (dan sitrat) menghambat fosfofruktokinase. 23. Glukosa menjadi piruvat menghasilkan 2 ATP; piruvat kembali menjadi glukosa memakan biaya 6: tiap perjalanan pulang pergi membakar 4 ATP tanpa hasil. Dengan enzim yang berbeda pada ketiga pintasannya, isyarat yang sama (ATP, asetil-KoA, fosforilasi) mengaktifkan satu perangkat dan menghambat yang lain, sehingga hanya satu arah yang terbuka. 24. Tanpa insulin katupnya disetel seperti dalam puasa apa pun glukosanya: fosforilase, glukoneogenesis dan lipolisisnya menyala, sintesisnya padam, dan hatinya, yang “mempercayai” tubuhnya kelaparan, mencurahkan glukosa serta keton ke dalam darah yang sudah penuh glukosa yang tak sanggup diserap jaringan yang bergantung insulin. 25. Sekitar $15\,\mathrm{h}$ tanpa glukoneogenesis, $22\,\mathrm{h}$ dengannya — semalam dan sepagi; kehilangan proteinnya sekitar $260\,\mathrm{g}$ sehari mula-mula dan $120\,\mathrm{g}$ (yang turun lebih jauh) begitu badan keton memberi makan otaknya; simpanan lemaknya bertahan sekitar $55\text{ to }70\,\mathrm{d}$ .

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 479 istilah di glosarium