Dari Wikipedia bahasa Indonesia, ensiklopedia bebas
Tampilan metabolisme seluler yang disederhanakan.Strukturadenosin trifosfat (ATP), zat antara utama dalam metabolisme energi.
Metabolisme (bahasa Yunani:μεταβολισμος,metabolismos, 'perubahan') adalah seluruhreaksibiokimia yang bertujuan untuk mempertahankankehidupan pada suatuorganisme. Proses ini memungkinkan organisme untuk tumbuh, bereproduksi, mempertahankan struktur, dan merespons lingkungannya. Metabolisme juga dapat diartikan sebagai semua reaksi kimia yang terjadi pada organisme hidup, di antaranyapencernaan dan perpindahan zat di dalam sel dan di antara sel yang berbeda. Di dalam sel, reaksi kimia terjadi secara berantai sehingga produk yang dihasilkan oleh suatu reaksi akan memasuki reaksi lain. Reaksi-reaksi yang saling terhubung ini disebut metabolisme perantara atau metabolisme intermediat dan setiap reaksinyadikatalisis olehenzim.
Secara umum, metabolisme memiliki dua arah lintasan reaksikimia organik, yaitukatabolisme (reaksi untuk menghasilkan energi dengan cara menguraisenyawa organik), seperti pemecahanglukosa menjadiasam piruvat oleh prosesrespirasi seluler dananabolisme (reaksi yang memerlukan energi untuk menyusun [sintesis] senyawa organik sepertiprotein,karbohidrat,lipid, danasam nukleat dari molekul-molekul yang diperlukan).[1] Tiga tujuan utama metabolisme yaitu mengonversi makanan menjadienergi untuk menjalankan proses pada tingkat seluler, mengonversi makanan menjadi bahan baku penyusun protein, lipid, asam nukleat, dan beberapa jenis karbohidrat, serta mengeliminasizat sisa metabolisme.
Reaksi kimia pada proses metabolisme terbagi atas beberapalintasan metabolik yang mengubah suatu senyawa menjadi senyawa yang berbeda melalui beberapa tahapan. Tiap tahapan dalam lintasan difasilitasi denganenzim yang bersifat spesifik. Fungsi enzim sangat penting pada metabolisme karena membantu organisme menjalankan reaksi yang dinginkan karena reaksi ini membutuhkan energi dan tidak terjadi secara otomatis. Enzim memasangkan reaksi yang difasilitasinya denganreaksi spontan yang menghasilkan energi sehingga enzim berfungsi sebagai katalis yang mempercepat terjadinya reaksi sekaligus mengatur laju reaksi metabolik. Reaksi kimia dalam metabolisme muncul sebagai respons atas perubahan lingkungan sel atau sinyal dari sel lain.
Pada setiap proses dalam metabolisme, reaksi kimia juga melibatkan sejumlahsubstrat yang bereaksi dengan enzim sebagaikatalis pada jenjang-jenjang reaksi guna menghasilkansenyawa intermediat, yang menjadisubstrat pada jenjang reaksi berikutnya. Keseluruhanpereaksi kimia yang terlibat pada suatu jenjang reaksi disebutmetabolom. Semua ini dipelajari pada suatu cabang ilmubiologi yang disebutmetabolomika.Laju metabolisme basal suatu organisme adalah ukuran jumlah energi yang dikonsumsi oleh semua reaksi kimia yang terjadi.
Sistem metabolisme suatu organisme menentukan senyawa mana yang merupakannutrisi dan senyawa mana yangberacun bagi tubuh. Sebagai contoh, beberapa jenisprokariota memakaihidrogen sulfida sebagai nutrien walaupungas ini bersifat racun bagi hewan. Namun, terdapat ciri khusus dari metabolisme yang umumnya ditemukan pada hampir seluruh spesies yang berbeda, seperti gugusasam karboksilat yang diketahui merupakan sebagai zat antara padasiklus asam sitrat pada semua organisme yang diketahui manusia. Senyawa ini juga ditemukan pada spesies yang sangat berbeda struktur biologisnya, seperti bakteri uniselulerEschirichia coli dan organismemultiseluler berukuran besar sepertigajah. Kesamaan yang terdapat pada lintasan metabolisme ini mungkin terjadi akibat keberadaan senyawa-senyawa tersebut pada awalsejarah evolusi dan retensi kemunculan mereka yang tinggi pada beragam jenis hewan karenaefikasi yang ditimbulkan. Metabolisme sel kanker sangat berbeda dengan sel normal dan perbedaanya ini dapat digunakan sebagai intervensi terapeutik pada penyakitkanker.
Terminologi metabolisme diturunkan daribahasa Prancis "métabolisme" ataubahasa Yunani Kunoμεταβολή – "Metabole" yang dialihbahasakan menjadi "sebuah perubahan" yang diturunkan dari kataμεταβάλλ – "Metaballein" yang dialihbahasakan menjadi "untuk mengubah".[2]
Buku karya dariAristoteles berjudulDe Partibus Animalium menjelaskan cukup detail tentangpandangannya terhadap metabolisme yang digambarkan dengan sebuah model diagram alir terbuka. Dia mempercayai bahwa pada setiap langkah di dalam proses saat materi dari makanan ditransformasikan, panas keluar sebagaielemen klasik dari api dan materi residu dieksresikan sebagaiurine,empedu, atautinja.[3]
Ibnu al-Nafis menjelaskan metabolisme pada abad ke-13 dengan menyatakan, "Baiktubuh dan bagian-bagiannya berada dalam kondisi penguraian dan pemberiannutrisi secara berkesinambungan sehingga mereka mengalami perubahan permanen yang tidak dapat dihindari."[4]
Santorio Santorio (1561–1636) diyakini pertama kali melakukan eksperimen atas metabolisme dengan menggunakan timbangan besar.
Eksperimen terkontrol terhadap metabolisme pada manusia pertama kali diterbitkan olehSantorio Santorio pada tahun 1614 di dalam bukunya,Ars de statica medecina yang membuatnya terkenal diEropa. Dia mendeskripsikan rangkaian percobaan yang dilakukannya, yang melibatkan penimbangan dirinya sendiri pada sebuah kursi yang digantung pada sebuah timbangan besar (lihat gambar) sebelum dan sesudahmakan,tidur, bekerja,berhubungan seksual, berpuasa makan atauminum, danbuang air besar. Dia menemukan bahwa bagian terbesar makanan yang dimakannya hilang dari tubuh melaluiperspiratio insensibilis (mungkin dapat diterjemahkan sebagai "keringatan yang tidak tampak").[5]
Pada studi awal, mekanisme proses metabolisme tidak dapat diidentifikasi dan dipercaya bahwaenergi vital menggerakkan kehidupan.[6] Pada abad ke-19,Louis Pasteur mengambil kesimpulan bahwafermentasi mengkatalisis senyawa di dalam selkhamir yang dia sebut "fermen" ketika dia mempelajari proses fermentasi gula menjadi alkohol oleh khamir. Dia menulis bahwa "fermentasi alkohol merupakan suatu kondisi yang berkorelasi dengan kehidupan dan pengaturan oleh sel khamir, bukan kematian atau pembusukan sel tersebut".[7] Penemuan ini selaras dengan publikasiFriedrich Wöhler pada tahun 1828 dalam karya tulisnya tentang sintesis kimiawiurea, yang dikenal sebagai senyawa organik pertama yang dipersiapkan dari prekursor anorganik lengkap. Penelitian ini membuktikan bahwa senyawa organik dan reaksi kimia yang ditemukan di dalam sel tidak berbeda secara prinsip dengan reaksi kimiawi yang berlangsung di tempat lain.[8]
Sebagian besar struktur yang menyusun hewan, tumbuhan, dan mikroorganisme tersusun atas empat gugus molekul dasar: asam amino, karbohidrat, asam nukleat, danlipid. Karena keempatnya sangat vital bagi kehidupan, reaksi metabolik bertujuan untuk membentuk molekul-molekul tersebut selama proses penyusunansel dan jaringan, atau menguraikan dan menggunakan mereka untuk mendapatkan energi melalui proses pencernaan. Senyawa-senyawa biokimia ini dapat digabungkan untuk membentukpolimer sepertiDNA dan protein yang merupakanmakromolekul esensial bagi kehidupan.[12]
Protein terdiri dari rangkaian asam amino yang disusun menjadi sebuah rantai yang disatukan olehikatan peptida. Sebagian besar protein berfungsi sebagai enzim yang dapatmengkatalisis reaksi kimia pada proses metabolisme. Protein-protein lainnya memiliki fungsi struktural atau mekanik seperti sebagai penyusunsitoskeleton, suatu sistemperancah yang berfungsi untuk mempertahankan bentuk sel.[13] Beberapa fungsi protein yang lain di antaranya memproduksi cahaya pada kunang-kunang, membantu transpor oksigen dalam darah, serta menjadi komponen penyusunkeratin.[14] Asam amino berkontribusi dalam proses metabolisme energi seluler sebagai penyedia sumber karbon untuk memulai siklus asam sitrat, terutama ketika sumber energi utama sepertiglukosa menipis atau ketika sel mengalami represi katabolit kembali, misalnya akibat stres metabolik.[15]
Lipid adalah gugus senyawa biokimia yang paling beragam. Fungsi struktural utamanya adalah sebagai bagian darimembran biologis, baik sebagai membran internal (misalnya membran padaretikulum endoplasma), membran eksternal (sepertimembran sel), atau sebagai sumber energi dan tempat penyimpanan energi.[16] Lipid didefinisikan sebagai molekul biologis yang bersifathidrofobik atauamfifilik, tetapi dapat terlarut padapelarut lipid, sepertieter,benzena,aseton, ataukloroform.[17] Lipid adalah gugus besar senyawa yang mengandungasam lemak dangliserol; gliserol yang melekat pada asam lemakester dikenal dengan namatriasilgliserida[18] Selain itu, terdapat banyak variasi bentuk lipid yang lain, misalnyasfingosina yang merupakan rantai utamasfingomielin dan gugushidrofilik sepertifosfat yang ada padafosfolipid.Steroid merupakan salah satu kelompok utama dari lipid.[19]
Glukosa dapat dikenal dalam bentuk rantai lurus ataupun cincin
Karbohidrat adalah senyawaaldehida danketon dengan banyak gugushidroksil yang menempel dalam bentuk rantai lurus atau cincin. Karbohidrat adalah molekul biologis paling berlimpah dan memiliki banyak fungsi, seperti tempat penyimpanan atau transpor energi (amilum danglikogen) dan juga merupakan komponen penyusun dari suatu senyawa pada organisme (selulosa pada tumbuhan dankitin pada hewan).[20] Unit paling sederhana dari karbohidrat dikenal dengan namamonosakarida. Terdapat tiga jenis monosakarida, yaitugalaktosa,fruktosa dan senyawa yang paling penting bagi organisme, yaituglukosa. Monosakarida akan saling terikat dengan monoskarida lain dan membentukpolisakarida dalam pelbagai bentuk yang tak terhitung jumlahnya.[21]
Dua jenis asam nukleat, yaitu DNA dan RNA merupakan polimer dari nukleotida. Tiap nukleotida disusun atas fosfat yang menempel pada gugus gularibosa ataudeoksiribosa yang menempel padabasa nitrogen. Asam nukleat memiliki fungsi penting sebagai media penyimpanan dan penggunaan informasi genetik yang akan dinterpretasi melalui prosestranskripsi dantranslasi dalam prosesbiosintesis protein.[22] Informasi genetik yang terkandung di dalam asam nukleat dilindungi oleh mekanismeperbaikan DNA dan diperbanyak pada prosesreplikasi DNA. Banyakvirus memilikigenom RNA, sepertiHIV, yang menggunakan prosestranskripsi balik untuk membuat templat DNA dari genom virus RNA-nya.[23] Molekul RNA yang berada di dalamribozim, sepertispliseosom atau ribosom, bekerja mirip dengan enzim yang mampu mengkatalisis reaksi kimia.Nukleosida adalah penyusun nukleotida yang merupakanbasa nukleotida yang menempel pada gula ribosa. Basa nukleotida memiliki bentuk cincinheterosiklik yang mengandung nitrogen yang diklasifisikasikan menjadi dua macam, yaitupurina ataupirimidina. Nukleotida juga dapat berfungsi sebagaikoenzim pada reaksi transfer gugus metabolis.[24]
Struktur koenzimasetil-Koa. Gugus asetil yang dapat ditransfer terikat dengan atom sulfur yang ada di ujung kiri.
Metabolisme melibatkan banyak reaksi kimia, tetapi sebagian besar reaksi tersebut dikategorikan ke dalam jenis reaksi sederhana yang melibatkan perpindahangugus fungsional suatu atom serta ikatannya di dalam suatu molekul.[25] Kimia sederhana ini memungkinkan pengunaaan kelompok senyawa intermediat untuk membawa gugus senyawakimia ini berpindah di antara reaksi-reaksi yang berbeda.[26] Kelompok senyawa intermediat yang berfungsi untuk memindahkan gugus tersebut dikenal dengan nama koenzim. Tiap kelompok reaksi dikendalikan oleh suatu koenzim tertentu, yang menjadisubstrat untuk kelompok enzim yang memproduksinya sekaligus enzim yang memakainya. Koenzim ini terus-menerus dibuat, dipakai, dan didaur ulang.[27]
Ilustrasi tiga dimensi ATP
Salah satu koenzim utama yang ada di dalam tubuh ialah ATP (adenosina trifosfat) yang merupakan sumber energi universal di dalam sel. Jenis nukleotida ini digunakan untuk memindahkan energi kimiawi di antara reaksi-reaksi kimia yang berbeda. Hanya ada sedikit ATP di dalam tubuh, tetapi ATP terus-menerus diregenerasi sehingga tubuh manusia dapat menggunakan ATP dengan jumlah yang setara dengan berat badan tubuhnya.[27][28] ATP bertindak sebagai jembatan penghubung katabolisme dan anabolisme. Katabolisme menguraikan molekul dan katabolisme menyatukannya kembali. Reaksi katabolisme menghasilkan ATP dan reaksi anabolis memakainya. ATP juga berfungsi sebagai pembawa gugus fosfat dalam reaksifosforilasi.[29]
Vitamin merupakan senyawa organik yang dibutuhkan dalam jumlah sedikit dan tidak dapat diproduksi oleh sel di dalam tubuh manusia. Padanutrisi manusia, vitamin berfungsi sebagai koenzim, setelah mengalami modifikasi. Misalnya, vitamin larut air akan mengalami fosforilasi dan berpasangan dengan nukleotida ketika dipakai oleh sel.[30]Nikotinamida adenina dinukleotida (NAD+) adalah senyawa turunan vitamin B3 (niasin) yang merupakan koenzim penting yang bertindak sebagai reseptor molekul hidrogen. Ratusan jenis enzimdehidrogenase melepas elektron dari substrat danmereduksi NAD+ menjadi NADH. Koenzim yang telah direduksi ini kemudian menjadi substrat bagi enzim reduktase di dalam sel untuk mereduksi substrat.[31]Nikotinamida adenina dinukleotida eksis dalam bentuk yang saling berhubungan di dalam sel, yaitu NADH dan NADPH. Bentuk NAD+/NADH lebih penting pada reaksi katabolis, sedangkan NADP+/NADPH dipakai pada reaksi anabolik.[32]
Strukturhemoglobin yang terikat dengan zat besi. Subunit protein dicirikan dengan warna merah dan biru, sedangkan gugusheme yang mengandung zat besi dicirikan dengan warna hijau; dirujuk dariPDB:1GZX.
Senyawa anorganik memiliki peran penting pada proses metabolisme. Beberapa senyawa berada dalam jumlah yang berlimpah (natrium dankalium), sedangkan senyawa yang lain hanya berfungsi dalam konsentrasi yang kecil di dalam tubuh. Sekitar 99% berat badan pada manusia terdiri darikarbon,nitrogen,kalsium, natrium, kalium,klorin,hidrogen,oksigen, danfosfor.Senyawa organik penyusun tubuh, seperti lipid, protein, dan karbohidrat mengandung sebagian besar karbon dan nitrogen sebagai salah satu penyusunnya. Sebagian besar molekul oksigen dan hidrogen berada dalam bentuk air di dalam tubuh.[33]
Logam transisi biasanya terdapat dalam bentukunsur kelumit di dalam organisme.Seng danbesi adalah unsur paling berlimpah dari kategori tersebut.[37] Logam-logam ini berfungsi sebagai kofaktor pada beberapa jenis protein yang bersifat esensial untuk aktivitas enzimkatalase dan protein pembawa protein, yaitu hemoglobin.[38] Kofaktor logam terikat dengan situs spesifik di dalam protein, meskipun akan berubah seiring proses katalisis. Zat ini akan kembali menjadi bentuk semula pada akhir reaksi katalisis. Mikronutrien logam masuk ke dalam organisme dengan menggunakan transporter spesifik dan terikat dengan protein penyimpanan, sepertiferitin danmetalotionein ketika tidak digunakan.[39][40]
Katabolisme adalah serangkaian reaksi pada proses metabolisme yang menguraikan molekul-molekul besar. Reaksi-reaksi yang dimaksud ialah mengurai dan mengoksidasi molekul makanan. Tujuan dari reaksi katabolik adalah untuk menyediakan energi dan komponen yang dibutuhkan oleh reaksi anabolik untuk rangka menyusun molekul.[41] Keadaan alamiah suatu reaksi katabolis berbeda-beda tergantung organismenya. Organisme-organisme tersebut dapat diklasifikasikan berdasarkan sumber energi dan karbon (pengelompokansumber nutrisi primer) yang dapat dilihat pada tabel dibawah. Molekul organik digunakan sebagai sumber energi oleh kelompokorganotrof, sedangkanlitotrof menggunakan molekul anorganik sebagai substratnya.Fototrof menangkap sinar matahari sebagaisumber energi kimiawi.[42] Walaupun begitu, seluruh bentuk reaksi metabolisme yang berbeda bergantung pada reaksiredoks yang melibatkan transfer elektron dari donor molekul yang telah tereduksi, sepertimolekul organik, air,amonia,hidrogen sulfida atauion fero terhadap molekul aseptor, yaituoksigen,nitrat, atausulfat.[43]
Klasifikasi organisme berdasarkan metabolismenya[44]
Pada umumnya, reaksi katabolis pada hewan dapat dibedakan menjadi tiga tahap utama. Pertama, makromolekul seperti protein,polisakarida, danlipid dicerna menjadi komponen yang lebih kecil di luar sel. Selanjutnya, molekul-molekul kecil ini diambil oleh sel untuk dikonversi menjadi molekul yang lebih kecil lagi yang biasanya dalam bentukasetil koenzim A (Asetil-KoA) yang menghasilkan energi. Akhirnya, gugus asetil pada KoA dioksidasi oleh air dan karbondioksida melalui prosessiklus asam sitrat danrantai transpor elektron yang menghasilkan energi yang telah tersimpan dengan cara mereduksinikotinamida adenina dinukleotida (NAD+) menjadi NADH.[45]
sebuah penjelasan sederhana katabolisme protein, karbohidrat dan lemak
Makromolekul, seperti pati, selulosa atau protein tidak dapat langung masuk ke dalam sel sehingga harus diurai menjadi ukuran lebih kecil untuk dapat digunakan dalam reaksi metabolisme di dalam sel. Beberapa kelompok enzim berbeda berfungsi mencerna polimer-polimer tersebut.Enzim-enzim pencernaan tersebut ialahprotease yang mencerna protein menjadi asam amino , sekaligus kelompok enzimglikosida hidrolase yang mencerna polisakarida menjadi gula yang lebih sederhana, yaitumonosakarida.[46]
Mikroorganisme menghasilkan enzim pencernaan ke sekelilingnya,[47][48] sedangkan hewan menghasilkan enzim dari sel spesifik di dalam usus, termasuk di antaranyalambung danpankreas sertakelenjar saliva.[49] Asam amino dikeluarkan oleh enzim ekstraseluler, lalu dipompa ke dalam sel oleh proteintranspor aktif.[50][51]
Glikolisis adalah proses metabolisme yang mengubah glukosa menjadi piruvat, menghasilkan dua mol ATP, dua mol NADH, dan dua molasam piruvat per mol glukosa.[52] Glikolisis dimulai dengan pengambilan glukosa ekstraseluler dan pengolahan glukosa intraseluler berikutnya dalam sitosol untuk akhirnya menghasilkan piruvat bersama dengan berbagai produk lainnya yang akan dikonversi menjadi ATP sebagai sumber energi.[53] Asam piruvat merupakan senyawa intermediat pada beberapa lintasan metabolis. Mayoritasnya dipakai dalam keadaanaerobik untuk dikonversi menjadi asetil-KoA dalam proses glikolisis yang selanjutkan dipakai dalamsiklus asam sitrat. Meskipun sebagian besar ATP dihasilkan dari siklus asam sitrat tetapi NADH merupakan produk terpenting. NADH diproduksi melalui oksidasi asetil-Koa menggunakan bahan baku NAD+Proses oksidasi ini mengeluarkan karbondioksida sebagai zat sisanya.[54] Dalam kondisi anaerobik, piruvat direduksi menjadilaktat olehlaktat dehidrogenase. Dengan adanya oksigen,mitokondria dapat sepenuhnya mengoksidasi piruvat dan NADH dari glikolisis, menghasilkan hingga 36 mol ATP per mol glukosa menggunakanfosforilasi oksidatif.[55]
Lintasan pentosa fosfat atau lintasan fosfoglukonat adalah lintasan alternatif penguraian glukosa yang terjadi di sitosol dan menyediakan beberapa tujuan utama yang mendukungproliferasi dan kelangsungan hidup sel. Pertama, dan yang paling terkenal, lintasan pentosa fosfat memungkinkan pengalihan senyawa antara dari lintasan glikolitik menuju produksi prekursor nukleotida dan asam amino yang diperlukan untuk pertumbuhan dan proliferasi sel. lintasan ini melibatkan cabang nonoksidatif dari lintasan pentosa fosfat. Fungsi kunci kedua dari lintasan pentosa fosfat yaitu menghasilkan reduksi ekuivalen NADPH, yang memiliki peran penting dalam pemeliharaan lingkungan redoks seluler yang menguntungkan dan juga diperlukan untuk sintesis asam lemak. lintasan ini melibatkan cabang oksidatif dari cabang pentosa fosfat.[56]
Glikogen adalah bentuk penyimpanan polimer dari senyawa glukosa.Glikogenolisis yaitu proses pemecahan glikogen yang terjadi di sel otot dan sel hati dalam merespons hormonepinefrin danglukagon. Pada kondisi kelaparan atau bahaya, tubuh membutuhkan glukosa dalam jumlah yang tinggi. Kondisi ini menyebabkan selalfa pankreas akan merilis glukagon, sementara itukelenjar adrenal akan merilis epinefrin. Di dalam hati, glukagon dan epinefrin berikatan padaGPCR yang berbeda, namun keduanya berinteraksi dan mengaktifkansubunit protein alfa Gs yang sama. Karena itu, kedua hormon menghasilkan respons metabolisme yang sama, yaitu aktivasiadenilat siklase dan peningkatan levelcAMP.[57]
Glikogenolisis melibatkan proses pembuangan residu glukosa dari satu ujung polimer dengan reaksifosforolisis, yang dikatalisis olehglikogen fosforilase (GP) untuk menghasilkan glukosa-1-fosfat.Glukosa-1-fosfat selanjutnya dikonversi menjadiglukosa-6-fosfat. Proses ini terjadi baik di sel otot maupun sel hati. Pada sel otot, glukosa-6-fosfat masuk ke dalam siklus glikolisis dan dimetabolisme mejadi ATP yang digunakan untukkontraksi otot. Sedangkan di sel hati, glukosa-6-fosfat diubah menjadi glukosa. Kondisi ini disebabkan oleh enzim bernamafosfatase yang ada di sel hati. Enzim ini mampu menghidrolisis glukosa-6-fosfat menjadi glukosa sehingga di hati, penyimpanan glikogen diuraikan menjadi glukosa, lalu dengan cepat dikeluarkan ke darah, lalu disebar ke jaringan lain, seperti otot dan otak, untuk memberi makan sel-sel tersebut.[57]
Kinase protein A (PKA) aktif mendorong konversi glikogen menjadi glukosa-1-fosfat melalui dua cara yaitu menghambat sintesis glikogen dan menstimulasi degradasi glikogen. Untuk cara pertama, PKA memfosforilasi enzim penting dalam sintesis glikogen yaituglikogen sintase (GS), di mana jika enzim ini difosforilasi (diberi fosfat) membuat enzim tidak aktif. Untuk cara kedua, PKA memfosforilasi enzim perantara penting, yaitu glikogen fosforilase kinase (GPK). Bedanya dengan enzim GS, fosforilasi justru membuat GPK aktif. GPK yang aktif ini kemudian memfosforilasi enzim berikutnya yaitu glikogen fosforilase (GP) pada residu serin14 yang selanjutnya memecah glikogen menjadi glukosa-1-fosfat.[57]
Lintasan oksidasi asam lemak memungkinkan konversi asam lemak yang ada di mitokondria menjadi banyak produk yang selanjutnya dapat digunakan sel untuk menghasilkan energi, termasuk asetil-KoA, NADH danFADH2. Langkah awal oksidasi asam lemak adalah 'aktivasi' asam lemak dalam sitosol melalui reaksi yang diperantarai enzim dengan ATP untuk akhirnya menghasilkan asam lemak asil-KoA. Mekanisme oksidasi asam lemak selanjutnya tergantung pada panjang ekoralifatik dalam asam lemak.[56]
Asam lemak rantai pendek, yang didefinisikan memiliki kurang dari enam karbon di ekor alifatik bisa berdifusi masuk ke mitokondria secara pasif. Pertama-tama, asam lemak rantai panjang dan sedang harus dalam kondisi terkonjugasi kekarnitina melaluikarnitina palmitoiltransferase I (CPT1). Setelah ini, asam lemak rantai panjang terkonjugasi karnitina kemudian dipindahkan ke mitokondria di mana ia diubah kembali menjadi asam lemak asil-KoA melalui penghilangan karnitina olehkarnitina palmitoil transferase II (CPT2). Pada tahap ini, β-oksidasi asam lemak asil-CoA dimulai, menghasilkan sejumlah besar asetil-KoA, NADH dan FADH2 yang selanjutnya digunakan dalam siklus TCA dan rantai transpor elektron untuk menghasilkan ATP.[56]
CPT1 A bertindak sebagai langkah regulator utama dalam reaksi oksidasi asam lemak, karena membatasi laju yang dihambat oleh zat intermediat sintesis lipidmalonil-KoA, sehingga mencegah reaksi oksidasi lipid ketika sel secara aktif mensintesis lipid. Secara keseluruhan, oksidasi asam lemak dapat memungkinkan produksi ATP dalam jumlah yang luar biasa. Reaksi oksidasi β lengkap dari molekulpalmitat tunggal (asam lemak utama dalam sel mamalia) yang memiliki potensi untuk menghasilkan lebih dari 100 molekul ATP.[56]
Pada orang dewasa, banyak jaringan mampu menyintesis kolesterol. Produk hewani merupakan sumber kolesterol, sedangkan tumbuhan tidak memiliki kolesterol. Namun, membran pada sel tumbuhan mengandungfitosterol, yang secara struktural mirip dengan kolesterol dan berguna dalam pengobatan diethiperkolesterolemia karena mereka berkompetisi saat penyerapan kolesterol. Hati dan usus merupakan situs kuantitatif yang paling penting untuk metabolisme kolesterol pada manusia, meskipun sejumlah kecil kolesterol juga hilang melalui siklus pergantian kulit.[58]
Metabolisme asam amino memiliki beberapa peran penting dalam beberapa aspek biologis pada sel. Bermacam-macam jenis asam amino berperan dalam lintasan metabolis yang beragam yang menggunakannya sebagai substrat.Asam amino digunakan dalam proses sintesis protein dan biomolekul lainnya atau dioksidasi menjadiurea dan karbondioksida sebagai sumber energi.Glutamina dapat berperan aktif dalam proliferasi sel sebagai sumber alternatif pada siklus asam sitrat yang berfungsi untuk mendukung produksi ATP atau sumbersitrat pada reaksi sintesis asam lemak. Asam amino lainnya, sepertiarginina dantriptofan dimetabolisasi melalu lintasan yang berbeda untuk mendukungproliferasi sel dan pertumbuhan anabolis.[56][59]
lintasan oksidasi gugus asam amino dimulai dengan melepaskangugus amina oleh enzimtransaminase. Gugus amina masuk ke dalamsiklus urea yang meninggalkan rangka karbon yang telahdideaminasi dalam bentuk asam keto. Beberapa asam keto menjadi intermediat di dalam siklus asam sitrat, seperti deaminasiglutamat menjadi bentuk alfa-ketoglutarat. Asam amino glukogenik dapat dikonversi menjadi glukosa dalam prosesglukoneogenesis.[60]
Mekanisme enzimATP sintase. ATP dicirikan dengan warna merah, ADP dan fosfat dengan warna merah mudah serta tangkai subunit dengan warna hitam
Pada reaksi fosforilasi oksidatif, elektron dilepas dari molekul organik seperti NADH dan FADH2, lalu dipindahkan ke oksigen dan energi yang dihasilkan akan digunakan untuk membuat ATP.[12] Reaksi ini berlangsung padaeukariota melalui protein berantai di dalam membran dimitokondria yang disebut dengan namarantai transpor elektron, sedangkan padaprokariota, protein-protein ini ditemukan padamembran dalam.[61] Protein-protein ini menggunakan energi yang dikeluarkan dari elektron yang lewat yang
berasal dari molekul yang tereduksi, seperti NADH ke dalamoksigen untuk memompaproton melewati membran.[62]
Proton yang dipompa keluar dari mitokondria menciptakanperbedaan konsentrasi melewati membran yang menghasilkangaya gerak proton.[63] Gaya ini menggerakkan proton kembali ke dalam mitokondria melalui basa sebuah enzim yang disebut denganATP Sintase. Aliran proton membuat tangkai subunit berotasi sehingga menyebabkansitus aktif domain sintase berubah bentuk dan memosforilasiadenosina difosfat menjadi ATP[27]
Energi yang berasal dari sinar matahari ditangkap olehtumbuhan,sianobakteri,bakteri ungu,chlorobi dan beberapa jenisprotista. Proses ini dipasangkan dengan konversi karbondioksida menjadi senyawa organik sebagai bagian proses fotosintesis. Penangkapan energi dan fiksasi karbon bisa beroperasi secara terpisah pada prokariota , sedangkan bakteri ungu fdan chlorobi bisa menggunakan sinar matahari sebagai sumber energi , ketika menukar reaksi di antara reaksi fiksasi karbon atau fermentasi senyawa organik.[71][72]
Pada banyak organisme, penangkapan energi sinar matahari memilik prinsip yang sama dengan fosforilasi oksidatif yang melibatkan penyimpanan energi sebagai gradien konsentrasi proton. Gaya gerak proton ini lah yang akan menggerakan sintesis ATP[73].Elektron yang dibutuhkan untuk menggerakan rantai transpor elektron berasal dari protein yang mengumpulkan cahaya yang disebutpusat reaksi fotosintesis. Kelompok pusat reaksi ini dibagi menjadi dua tipe tergantung sifatpigmen fotosintesisnya di mana bakteri hanya memiliki satu tipe, sedangkan tumbuhan dan sianobakteri punya dua[74]
Pada tumbuhan, alga, dan sianobakteri,fotosistem II menggunakan energi cahaya untuk melepaskan elektron dari molekul air dan melepaskan oksigen sebagai zat sisa. Lalu, elektron masuk ke dalamkompleks sitokrom b6f yang menggunakan energi tersebut untuk memompa proten melewati membrantilakoid yang ada di dalam membran kloroplas. .[75] Proton ini kembali melalui membran untuk menggerakan ATP sintase seperti sebelumnya.Elektron masuk melaluifotosistem I dan bisa juga digunakan untuk mereduksi koenzim NADP+[76] Koenzim ini dapat digunakan di dalamsiklus Calvin atau didaur ulang untuk menghasilkan ATP selanjutnya.
Anabolisme adalah sekelompok proses reaksi metabolis yang menggunakan energi yang dihasilkan dari proses katabolisme untuk menyintesis molekul kompleks. Pada umumnya, molekul kompleks terdiri dari struktur seluler yang disusun secara bertahap dari prekursor yang kecil dan sederhana. Anabolisme melibatkan tiga tahap dasar. Pertama, sintesis prekursor, seperti asam amino, monosakarida danisoprenoid, dan nukleotida. Tahap kedua ialah aktivasi bentuk reaktif menggunakan energi yang berasal dari ATP. Tahap ketiga ialah penyusunan prekursor menjadi molekul yang lebih kompleks, seperti protein, polisakarida , lipid, danasam nukleat.[77]
Anabolism di dalam organisme dapat berbeda tergantung bahan baku konstruksi molekul yang terjadi di dalam sel organisme tersebut.Autotrof seperti tanaman dapat menyusun molekul organik kompleks di dalam sel seperti polisakarida dan protein hanya dari molekul sederhana seperti karbondioksida dan air. Sedangkan,Heterotrof membutuhkan senyawa yang lebih kompleks dibandingkan autotrof, seperti monosakarida dan asam amino untuk menghasilkan molekul yang lebih kompleks. Organisme ini dapat diklasifikasikan lebih jauh dengan berdasarkan sumber energi , yaitu fotoautotrof and fotoheterotrof yang mendapatkan energi dari cahaya, sedangkan kemoautotrof dan kemoheterotrof mendapatkan energi dari reaksi oksidasi senyawa anorganik.[77]
Sel tanaman (terikat dengan dinding warna ungu) dipenuhi kloroplas (warna hijau) yang merupakan situs terjadinya proses fotosintesis
perbFotosintesis adalah reaksi sintesis karbohidrat dari cahaya dan karbondioksida. Pada tanaman, sianobakteri danalga, fotosintesis oksigenik menguraikan molekul air,dengan oksigen sebagai zat sisa.Proses ini menggunakan ATP dan NADPH yang diproduksi olehpusat reaksi fotosintesis untuk mengonversi CO2 menjadigliserat-3-fosfat yang akan dikonversi menjadi glukosa. Reaksi fiksasi karbon ini akan dibantu oleh enzimRubisco sebagai bagiansiklus Calvin[78] Ada tiga tipe fotosintesis yang terjadi pada tanaman, yaitufiksasi karbon C3,C4 danFotosintesis CAM. Perbedaan ketiga tipe tanaman dapat dibedakan dari lintasan masuknya karbondioksida ke dalam siklus Calvin.Tanaman C3 memiksasi CO2 secara langsung, sedangkan C4 dan CAM memasukkan CO2 ke dalam senyawa lain terlebih dahulu sebagai bentuk adaptasi terhadap sinar matahari yang menyengat atau kondisi kering atau kurang air.[79]
Pada prokariota fotosintetik, mekanisme fiksasi karbon lebih beragam. Fiksasi dapat terjadi dengan beberapa reaksi seperti, siklus Calvin,siklus Krebs terbalik,[80] atau karboksilasi asetil-KoA[81].[82] Prokariotakemoautotrof juga memiksasi melalui siklus Calvin tetapi menggunakan energi dari senyawa anorganik untuk menggerakkan reaksi.[83]
Pada proses anabolisme karbohidrat, asam organik sederhana dapat dikonversi menjadi monosakarida seperti glukosa, dan dapat disusun menjadi polisakarida seperti pati. Produksi glukosa dapat dilakukan menggunakan bahan bakuasam piruvat,asam laktat,gliserol, gliserat-3-fosfat dan asam amino dalam reaksi yang disebutglukoneogenesis. Glukoneogenesis mengonversi asam piruvat menjadi glukosa-6-fosfat melalui serangkaian senyawa intermediat yang ada juga di dalam reaksiglikolisis[53]
Meskipun begitu, lintasan ini tidak sama dengan reaksi glikolisis yang berlangsung secara terbalik karena beberapa langkah dalam reaksi ini dikatalisis oleh enzim non-glikolitik. Kondisi ini penting untuk memungkinkan pembentukan dan penguraian glukosa berjalan dalam siklus yang berbeda dan mencegah terjadinya kedua lintasan berjalan secara bersamaan di dalam sebuahsiklus yang sia-sia.[84][85] Dalam keadaan berlimpah, glukosa dapat dikoversi menjadi glikogen melalui reaksi yang disebutglikogenesis sebagai bentuk penyimpanan energi selain lemak yang biasanya digunakan untuk mempertahankan glukosa di dalam darah[86]
Polisakarida danglikan tersusun dengan penambahan secara bertahap suatu monosakarida oleh reaksiglikosiltransferase dari gula pendonor aktif fosfat, sepertiuridina difosfat glukosa (UDP-Glc) terhadap suatu gugushidroksil aseptor pada polisakarida yang diinginkan. Selama gugus hidroksil pada cincin subtrat dapat menjadi aseptor, polisakarida yang diproduksi akan memiliki cabang struktur yang lurus atau bercabang.[87] Polisakarida yang terbentuk dapat memiliki fungsi pada bentuk aslinya atau dapat dipindahkan ke lipid atau protein menggunakan enzimoligasakariltransferase[88][89]
biLintasan sintesis asam lemak memungkinkan sel untuk menghasilkan lipid yang diperlukan untuk pertumbuhan sel dan proliferasi dari prekursor yang berasal dari lintasan metabolisme intrinsik lainnya. Aktivitas lintasan sintesis asam lemak sangat terkait dengan pensinyalanmTOR, yang telah terbukti mendorong sintesis asam lemak melalui regulasi banyak enzim utama yang bertanggung jawab untuk sintesis lipidde novo, termasukSREBP (protein pengikat elemen pengatur sterol), FASN (asam lemak sintase) dan ACC (asetil-KoA karboksilase) yang diinduksi oleh SREBP.[56] Enzim pada proses biosintesis asam lemak dibagi menjadi dua kelompok. Padafungi dan hewan, seluruh reaksi asam lemak sintase dilakukan oleh satu jenis protein tunggal multifungsi yang mengandung semua pusat reaksi di dalamnya yang disebut FAS I.Plastid tumbuhan, bakteri danparasit memiliki sistem terpisah yang setiap komponennya disandi oleh gen berbeda yang menghasilkan suatu protein unik yang mengkatalisis satu langkah di dalam lintasan tersebut yang diberi nama FAS II.[90][91]
Sintesis asam lemak menggunakan produk yang berasal dari beberapa lintasan metabolisme lainnya, terutama glikolisis, siklus TCA, dan lintasan pentosa fosfat. Untuk sintesis asam lemak rantai lurus,asam sitrat yang berasal dari siklus TCA dapat diekspor darimitokondria ke sitosol melalui pembawa sitrat, di manaATP sitrat liase mengubahnya menjadi asetil-koA, bersama denganoksaloasetat. Asetil-KoA yang berasal dari proses ini kemudian dapat dikarboksilasi oleh ACC untuk menghasilkanmalonil-KoA. Selanjutnya, FASN bertindak dalam cara yang tergantung pada NADPH untuk memperpanjang rantai asam lemak yang baru terbentuk sampai produk seperti asam palmitat disintesis. Asam lemak dengan panjang rantai alternatif dapat disintesis menggunakan asam palmitat sebagai substrat untuk pemanjangan, sementara reaksi desaturasi dapat dilakukan untuk menghasilkan asam lemak tak jenuh.[56] Sintesis asam lemak rantai cabang berbeda dengan sintesis asam lemak lurus, yaitu membutuhkan asam amino rantai cabang seperti valin dan leusin sebagai substrat untuk perpanjangan. Lebih lanjut, asam lemak dapat dikondensasikan dengan gliserol produk dari glikolisis untuk menghasilkan banyak kemungkinan kombinasi triasilgliserol dan fosfolipid, yang merupakan komponen kunci dari banyak struktur seluler.[56]
Selain asam lemak, proses anabolisme juga terjadi pada mamalia juga yang menggunakan gliserol dalam bentuk G-3-P yang dihasilkan dari reaksifosforilasi gliserol olehgliserol kinase atau reduksidihidroksiaseton fosfat menggunakan enzimgliseraldehida 3-fosfat dehidrogenase. Dihidroksiasaseton fosfat dapat diturunkan dari senyawa glukosa atau piruvat. Pada kondisi normal, trigliserida ataugliserol-3-fosfat dihasilkan dari proses glikolisis dengan prekursor glukosa. Akantetapi, ketika konsentrasi glukosa menurun di dalam sitosol, gliserol dihasilkan dari proses reaksigliseroneogenesis. Reaksi ini menggunakan asam piruvat, asam laktat,alanina, dananion dari siklus asam sitrat sebagai prekursor pengganti.Fosfoenolpiruvat karboksikinase (PEPC-K) adalah enzim regulator utama yang berfungsi sebagai katalisator reaksidekarboksilasi oksaloasetat menjadifosfoenolpiruvat .[92]
Fosfatidilkolin merupakan kelompok fosfolipid yang disintesis melalui lintasan sitidin 5-difosfat (CDP)-kolin yang memfosforilasi kolin i menjadi fosfokolin oleh kolin kinase kemudian dikonversi menjadi CDP-kolin oleh CPT:fosfokolin sitidiltransferase. Selanjutnya, CDP-kolin dikombinasikan dengan diasilgliserol oleh dua enzim yang terintegrasi ke retikulum endoplasma: CDP-kolin:1,2-diasilgliserol kolinfosfotransferase (CPT) dan CDP-kolin: 1,2-diasilgliserol kolin/etanolamin fosfotransferase (CEPT). lintasan CDP-kolin terdapat di semua sel mamalia berinti. Namun, di hati, hingga 30% fosfatidilkolin dihasilkan oleh konversi fosfatidletanolamin menjadi fosfatidilkolin oleh fosfatidiletanolamin N-metiltransferase (PEMT).[99] Selain sintesis fosfatidlkolin, fosfatidiletanolamin juga merupakan golongan fosfolipdid yang disintesis makhluk hidup melalui dua lintasan utama: lintasan CDP-etanolamin di retikulum endoplasma dan lintasan fosfatidilserin dekarboksilase (PSD) di mitokondria. lintasan CDP-etanolamin mirip dengan sintesis fosfatidilkolin. Fosfoetanolamin diubah menjadi CDP-etanolamin oleh CTP:fosfoetanolamin sitidiltransferase kemudian ditambahkan ke diasilgliserol oleh CEPT untuk membentuk fosfatidiletanolamin. lintasan PSD terjadi secara eksklusif di mitokondria, di mana fosfatidilserin didekarboksilasi oleh PSD untuk membentuk fosfatidiletanolamin. Sintesis fosfatidilserin, yang dikendalikan oleh dua sintase fosfatidilserin, merupakan langkah pembatas laju untuk sintesis fosfatidiletanolamin pada lintasan PSD.[99]
Organisme memiliki kemampuan berbeda untuk mensintesis 20 jenis asam amino. Sebagian besar bakteri dan tumbuhan mampu semua jenis 20 asam amino. Namun, mamamalia hanya mampu mensintesis 11 asam amino nonesensial, sedangkan 9asam amino esensial lainnya didapatkan dari makanan.[100] Beberapa parasit sederhana, seperti bakteriMycoplasma pneumoniae, tidak mempunyai kemampuan untuk mensintesis seluruh asam amino dan mengambil asam amino langsung dari inangnya.[101] Seluruh asam amino disintesis dari senyawa intermediat di dalam proses reaksi glikolisis, siklus asam sitrat atau lintasan pentosa fosfar, Nitrogen disediakan olehasam glutamat danglutamina. Sintesis asam amino non esensial bergantung pada pembentuk asam alfa-keto yang sesuai yang akanditransaminasi untuk membentuk asam amino.[102]
Asam amino disusun menjadi protein yang disatukan bersama menjadi sebuahrantai ikatan peptida. Tiap protein yang berbeda memiliki sekuens yang unik dari residu asam amino yang merupakanstruktur primernya . Asam amino dapat disambungkan dalam sekuens yang beragam untuk membentuk banyak variasi protein. Protein disusun dari asam amino yang diaktivasi oleh penempelan olem molekulTransfer RNA melalui ikatanester.Prekursoraminoasil-tRNA dihasilkan oleh sebuah reaksi yang menggunakan ATP yang dilakukan oleh enzimsintetase aminoasll-tRNA[103] Selanjutnya, aminoasil-tRNA ini menjadi substrat untukribosom yang menyatukan asam amino menjadi rantai protein memanjang menggunakan sekuens yang ada di dalam MRNA.[104][105]
Nukleotida disusun dari asam amino, karbondioksida danasam format di lintasan yang membutuhkan energi metabolis dalam jumlah besar.[106][107] Karena itu, sebagian besar organisme mempunyai sistem yang efisien untuk menghemat nukleotida yang belum terbentuk.[106][107][108]Purina disintesis menjadi nukleosida ( basa yang melekat kepadaribosa)[109]Adenina danguanina disusun dari prekursornukleosidainosina monofosfat yang disintesis menggunakan atom dari asam aminoglisina,glutamina danasam aspartat sertaasam format yang dipindahkan dari koenzimtetrahidrofolat. Sedangkan,pirimidina disintesis dari basaorotat yang dibentuk dari glutamina dan asam aspartat.[110]
Seluruh organisme secara konstan terpapar oleh senyawa yang mereka tidak bisa gunakan sebagai nutrisi dan dapat berbahaya, jika berakumulasi di dalam sel karena tidak memiliki fungsi metabolis. Senyawa yang berpotensi membahayakan ini disebut xenobiotik.[111] Xenobiotik, sepertiobat sintetis,racun alami, danantibiotik didetokfisikasi oleh serangkaian enzim metabolis.Pada manusia,termasuk di antaranyasitokrom P450 oksidase,[112][113]UDP-glukuronosiltransferase,[114] andglutationS-transferase.[115] Sistem ini terbagi menjadi tiga langkah. Langkah pertama ialah mengoksidasi xenobiotik (fase I) dan mengonjungasi gugus berbahan dasar air terhadap molekul (fase II). Xenobiotik larut air yang telah temodikasi dapat dipompa keluar dari sel dan organisme multiseluler akan mencerna lebih jauh, sebelum senyawa tersebut dieskresikan (fase III). Pada ilmuekologi, reaksi ini sangat penting dalam prosesbiodegradasi polutan oleh mikrob danbioremediasi lahan yang terkontaminasi serta tumpahan minyak.[116] Banyak reaksi mikrob yang juga ada pada organisme multiseluler. Akan tetapi, dikarenakan diversitas jenis mikrob, organisme ini dapat menangani xenobiotik dalam jangkauan yang lebih luas dibandingkan dengan organisme multiseluler. Organisme ini juga dapat mendegradasipolutan organik persisten seperti senyawaorganoklorida.[117]
Organisme hidup harus mematuhihukum termodinamika yang mengatur perpindahan panas danusaha.Hukum termodinamika kedua menyatakan bahwa di dalamsistem tertutup, jumlahentropi tidak dapat berkurang. Walaupun kompleksitas organisme hidup terlihat berkontradiksi terhadap hukum tersebut, kehidupan hanya terjadi karena seluruh organisme merupakansistem terbuka yang menukarmateri danenergi ke lingkungannya. Jadi, sistem kehidupan tidak berada di dalam kesetimbangan, tetapi berada di dalamsistem disipatif yang mempertahankan keadaan kompleksitas tinggi yang menyebabkan peningkatan entropi sekitar.[122] Metabolisme mencapai kondisi ini dengan memasangkan reaksi katabolisme yangspontan dengan reaksi nonspontan dari anabolisme. Padaterminologi termodinamika, metabolisme mempertahankan keteraturan dengan menciptakan ketidakteraturan.[123]
Karena lingkungan sebagian besar organisme terus berubah, reaksi metabolisme harus diatur dengan baik untuk mempertahankan serangkaian kondisi konstan dalam sel. Kondisi ini disebuthomeostasis.[124][125] Ada dua konsep yang saling berhubungan dekat dan harus dimengerti untuk memahami bagaimana lintasan metabolisme dapat dikontrol. Pertama, regulasi suatu enzim di dalam lintasan dilihat dari bagaimana aktivitasnya meningkat dan berkurang sebagai respons terhadap sinyal. Kedua, seberapa besar efek perubahan aktivitas yang dilakukan oleh enzim mempunyai pengaruh pada keseluruhan lintasan yang terjadi (jumlahfluks yang terjadi pada lintasan)[126] Misalnya, ketika suatu enzim menunjukkan perubahan yang besar pada suatu aktivitas, tetapi perubahan ini hanya mempunyai efek yang kecil pada fluks yang ada di lintasan metabolisme, maka enzim ini tidak terlibat sebagai kontrol lintasan.[127]
Pengaruh insulin terhadap asupan glukosa dan metabolismenya. Insulin melekat pada reseptor (1), yang mengaktifkan banyak protein secara berurutan(2). Termasuk: translokasi transporter Glut-4 menujumembran plasma dan glukosa yang masuk (3), sintesis glikogen (4),glikolisis (5) dan sintesis asam lemak(6).
Ada beberapa tingkatan dari regulasi metabolisme. Pada regulasi intrinsik, lintasan metabolisme meregulasi dirinya sendiri sebagai respons terhadap perubahan jumlah substrat atau produk. Misalnya, berkurangnya jumlah produk akan meningkatkan flux yang ada di lintasan sebagai kompensasi.[126] Jenis regulasi ini sering melibatkanregulasi alosterik dari beberapa enzim yang ada di lintasan.[128] Kontrol ekstrinsi melibatkan suatu sel yang ada di dalam organisme multiseluler yang mengubah metabolismenya sebagai respons terhadap sinyal dari sel lain, Sinyal ini biasanya dalam bentuk pengirim pesan larut air, seperti hormon danfaktor pertumbuhan yang dapat dideteksi olehreseptor spesifik yang ada di permukaan sel.[129] Sinyal ini akan ditransmisikan ke dalam sel olehsistem penghantar kedua yang biasanya melibatkan reaksifosforilasi protein.[130]
Suatu contoh yang dapat menggambarkan kontrol ekstrinsik ialah regulasi metabolisme glukosa oleh hormoninsulin.[131] Insulin dihasilkan sebagai respons dari kenaikankonsentrasi gula darah. Melekatnya hormon padareseptor insulin mengaktifkan kinase protein secara berurutan yang menyebabkan sel mengambil glukosa dan mengonversinya menjadi bentuk simpanan glukosa, seperti asam lemak dan glikogen.[132] Metabolisme glikogen dikontrol oleh aktivitas enzimfosforilase yang menguraikan glikogen dan enzimglikogen sintase yang mensintesisnya, Enzim ini diregulasi di dalam sebuah proses timbal balik dengan reaksi fosforilasi yang menghambat glikogen sintase, tetapi mengaktifkan fosforilase. Insulin menyebabkan sintesis glikogen dengan mengaktifkanprotein fosfatase dan menganghasilkan penurunan fosfforilasi enzim ini.[133]
Pohon evolusi yang menunjukkan leluhur yang sama dari tiga domain. Bakteri berwarna biru, eukariota berwarna merah, dan arkea berwarna hijau. Posisi relatif dari beberapafilum juga ditunjukkan di sekitar pohon.
Lintasan metabolisme utama yang telah dijelaskan di atas, seperti glikolisis dan siklus asam sitrat ada pada seluruhtiga domain makhluk hidup dan juga ada padaleluhur universal terakhir.[134][135] Sel leluhur universal merupakanprokariota dan mungkin merupakan suatumetanogen yang memiliki metabolisme asam amino, nukleotida, karbohidrat, dan lipid yang ekstensif.[136][137] Retensi keberadaan lintasan purba padaevolusi makhluk hidup setelahnya mungkin merupakan hasil dari reaksi yang memiliki solusi optimum untuk masalah metabolisme tertentu dengan lintasan, seperti glikolisis dan siklus asam sitrat yang menghasilkan produk akhir dengan efisiensi yang tinggi dan dengan langkah dalam jumlah minimum.[138][139] Lintasan metabolisme berbasis enzim pertama mungkin merupakan bagian dari metabolisme nukleotida purina, sedangkan lintasan metabolisme sebelumnya merupakan bagian daridunia RNA purba.[140]
Banyak model yang diusulkan untuk menjelaskan bagaimana lintasan metabolisme baru berevolusi. Model ini termasuk penambahan secara berurutan enzim baru kepada lintasan purba yang pendek, duplikasi, lalu menyebarkan ke seluruh lintasan sekaligus memasukkan enzim yang telah ada dan menyusunnya menjadi lintasan reaksi yang baru.[141] Kepentingan relatif dari mekanisme ini masih belum jelas, tetapi studigenomika menunjukkan bahwa enzim yang ada di dalam lintasan kemungkinan mempunyai leluhur yang sama. Mekanisme ini menyatakan kemungkinan bahwa banyak lintasan berevolusi secara tahap demi tahap dengan fungsi baru yang diciptakan oleh tahap yang sebelumnya ada di dalam lintasan.[142][143] Sebuah model alternatif berasal dari studi tentang jejak evolusi struktur protein di dalam jaringan metabolisme . Studi ini menyatakan kemungkinan bahwa enzim perlahan bergabung dengan meminjam enzim dengan fungsi yang sama pada jalur metabolisme yang berbeda (ada di dalambasis data MANET)[144] Proses bergabungnya enzim ini menghasilkan sebuah mosaik enzim evolusioner.[145] Kemungkinan ketiga ialah sebagian metabolisme mungkin ada sebagai 'modul' yang dapat digunakan kembali di dalam lintasan berbeda dan melakukan fungsi yang sama pada molekul berbeda[146]
Evolusi juga dapat menyebabkan hilangnya fungsi metabolisme. Sebagai contoh, beberapa proses metabolisme pada parasit yang tidak esensial untuk bertahan hidup menjadi hilang sehingga kebutuhan asam amino, nukleotida, dan karbohidrat mereka ambil dariinang.[147][148] Kondisi yang sama juga dapat dilihat pada organismeendosimbiotik.[149]
Jejaring metabolisme dari siklus asam sitratArabidopsis thaliana. Enzim dan metabolit dilambangkan dengan kotak berwarna merah sedangkan interaksi di antara mereka ditunjukkan oleh garis hitam.
Secara klasik, metabolisme dipelajari dengan pendekatanreduksionis yang berfokus pada lintasan metabolisme tunggal. Pendekatan ini menggunakanpelacak radioaktif pada tingkat organisme, jaringan, atau sel. Lintasan metabolisme dari prekursor hingga produk akhir didefinisikan dengan mengidentifikasi berbagai senyawa intermediat dan produk yang memiliki label senyawa radioaktif.[150] Enzim-enzim yang mengatalisis reaksi-reaksi kimiadimurnikan sehinggakinetika dan responsnya terhadapinhibitor dapat dipelajari. Pendekatan paralel juga dilakukan untuk mengidentifikasi molekul-molekul kecil di dalam sel dan jaringan; serangkaian molekul lengkap ini dikenal dengan namametabolom. Meskipun dapat memberikan gambaran yang baik tentang struktur dan lintasan metabolisme sederhana, studi ini tidak memadai ketika diterapkan pada sistem yang lebih kompleks, seperti metabolisme pada sebuah sel lengkap.[151]
Kompleksitasjejaring metabolisme di dalam sel yang mengandung ribuan enzim berbeda dapat dilihat pada ilustrasi yang menampilkan reaksi 43 protein dan 40 metabolit: urutan genom pada gambar tersebut mengandung hingga 26.000 gen.[152] Datagenomika seperti ini dapat digunakan untuk mengonstruksi kembali jejaring reaksi biokimia yang lengkap dan menghasilkan model matematika yang lebih komprehensif untuk menjelaskan dan memprediksi bagaimana reaksi ini bekerja.[153] Model ini ampuh ketika digunakan untuk mengintegrasikan data lintasan dan metabolit yang didapatkan melalui metode klasik dengan dataekspresi gen yang didapatkan dari studiproteomika sertaDNAmicroarray[154] Dengan teknik ini, model metabolisme manusia dapat dibentuk yang selanjutnya mengarahkan penemuan obat dan penelitian biokimia.[155] Model ini juga digunakan dalamanalisis jejaring untuk mengklasifikasikan penyakit manusia menjadi kelompok-kelompok berdasarkan kesamaan protein dan metabolit mereka.[156][157]
Jejaring metabolisme bakteri adalah contoh yang sangat baik dari organisasidasi kupu-kupu,[158][159][160] suatu proses yang masukannya adalah berbagai nutrien yang sangat beragam dan keluarannya adalah berbagai produk dan makromolekul kompleks yang sangat bervariasi meskipun prosesnya hanya melibatkan senyawa intermediat yang jenisnya relatif sedikit.Rekayasa metabolisme merupakan penerapan teknologi paling utama dari informasi ini. Organisme sepertikhamir, tumbuhan, dan bakteri direkayasa genetiknya agar mereka lebih berguna dalam prosesbioteknologi dan produksi obat-obatan seperti antibotik atau produksi bahan kimia industri sepertietilena glikol danasam sikimat.[161][162][163]
^abCooper, Geoffrey M. (2000)."The Molecular Composition of Cells".The Cell: A Molecular Approach. 2nd edition (dalam bahasa Inggris).Diarsipkan dari versi asli tanggal 2020-08-27. Diakses tanggal2020-06-25.
^Berg JM, Tymoczko, JL, Gatto GJ Jr , Stryer L. (8 April 2015).Biochemistry (edisi ke-8). New York: W. H. Freeman. hlm. 362.ISBN978-1-4641-2610-9.OCLC913469736.Diarsipkan dari versi asli tanggal 2019-09-15. Diakses tanggal2020-06-06.Parameter|url-status= yang tidak diketahui akan diabaikan (bantuan)Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
^Berg, Jeremy M.; Tymoczko, John L.; Stryer, Lubert (2002)."Vitamins Are Often Precursors to Coenzymes".Biochemistry. 5th edition (dalam bahasa Inggris).Diarsipkan dari versi asli tanggal 2020-12-15. Diakses tanggal2020-06-09.
^"ELECTROLYTE BALANCE".opentextbc. Diarsipkan dariversi asli tanggal 2020-06-02. Diakses tanggal23 June 2020.Parameter|url-status= yang tidak diketahui akan diabaikan (bantuan)
^Lodish, Harvey; Berk, Arnold; Zipursky, S. Lawrence; Matsudaira, Paul; Baltimore, David; Darnell, James (2000)."The Action Potential and Conduction of Electric Impulses".Molecular Cell Biology. 4th edition (dalam bahasa Inggris).Diarsipkan dari versi asli tanggal 2020-05-30. Diakses tanggal2020-06-23 – via NCBI.
^Alberts, Bruce; Johnson, Alexander; Lewis, Julian; Raff, Martin; Roberts, Keith; Walter, Peter (2002)."How Cells Obtain Energy from Food".Molecular Biology of the Cell. 4th edition (dalam bahasa Inggris).Diarsipkan dari versi asli tanggal 2021-07-05. Diakses tanggal2020-06-25 – via NCBI.
^Madigan, Michael T., Martinko, John M (2006).Brock Mikrobiologie (edisi ke-11., überarb. Aufl). München: Pearson Studium. hlm. 604,621.ISBN3-8273-7187-2.OCLC162303067.Diarsipkan dari versi asli tanggal 2020-06-25. Diakses tanggal2020-06-25.
^Alberts, Bruce; Johnson, Alexander; Lewis, Julian; Raff, Martin; Roberts, Keith; Walter, Peter (2002)."How Cells Obtain Energy from Food".Molecular Biology of the Cell. 4th edition (dalam bahasa Inggris).Diarsipkan dari versi asli tanggal 2021-07-05. Diakses tanggal2020-06-25.
^Capaldi R, Aggeler R (2002). "Mechanism of the F(1)F(0)-type ATP synthase, a biological rotary motor".Trends Biochem Sci.27 (3): 154–60.doi:10.1016/S0968-0004(01)02051-5.PMID11893513.
^Jetten, Mike S.M.; Strous, Marc; van de Pas-Schoonen, Katinka T.; Schalk, Jos; van Dongen, Udo G.J.M.; van de Graaf, Astrid A.; Logemann, Susanne; Muyzer, Gerard; van Loosdrecht, Mark C.M. (1998-12-01)."The anaerobic oxidation of ammonium".FEMS Microbiology Reviews (dalam bahasa Inggris).22 (5): 421–437.doi:10.1111/j.1574-6976.1998.tb00379.x.ISSN1574-6976.Diarsipkan dari versi asli tanggal 2021-12-31. Diakses tanggal2020-07-02.
^Alberts, Bruce; Johnson, Alexander; Lewis, Julian; Raff, Martin; Roberts, Keith; Walter, Peter (2002)."Energy Conversion: Mitochondria and Chloroplasts".Molecular Biology of the Cell. 4th edition (dalam bahasa Inggris).Diarsipkan dari versi asli tanggal 2020-12-15. Diakses tanggal2020-07-03.
^abMandal, Ananya (2009-11-26)."What is Anabolism?".News-Medical.net (dalam bahasa Inggris).Diarsipkan dari versi asli tanggal 2020-07-05. Diakses tanggal2020-07-04.
^Freeze, Hudson H.; Hart, Gerald W.; Schnaar, Ronald L. (2015). Varki, Ajit; Cummings, Richard D.; Esko, Jeffrey D.; Stanley, Pamela; Hart, Gerald W.; Aebi, Markus; Darvill, Alan G.; Kinoshita, Taroh; Packer, Nicolle H., ed.Essentials of Glycobiology (edisi ke-3). Cold Spring Harbor (NY): Cold Spring Harbor Laboratory Press.PMID28876856.Diarsipkan dari versi asli tanggal 2022-02-24. Diakses tanggal2020-07-08.Parameter|url-status= yang tidak diketahui akan diabaikan (bantuan)
^Guyton, AC, Hall JE (2006).Textbook of medical physiology(PDF) (edisi ke-11th ed). Philadelphia: Elsevier Saunders. hlm. 855.ISBN0-7216-0240-1.OCLC56661571. Diarsipkan dariversi asli(PDF) tanggal 2020-07-14. Diakses tanggal2020-07-13.Parameter|url-status= yang tidak diketahui akan diabaikan (bantuan)Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link) Pemeliharaan CS1: Teks tambahan (link)
^Danielson PB (December 2002). "The cytochrome P450 superfamily: biochemistry, evolution and drug metabolism in humans".Current Drug Metabolism.3 (6): 561–97.doi:10.2174/1389200023337054.PMID12369887.
^Hendrickson WA (November 2005). "Transduction of biochemical signals across cell membranes".Quarterly Reviews of Biophysics.38 (4): 321–30.doi:10.1017/S0033583506004136.PMID16600054.
^Koch, Arthur L. (Januari 1998). Poole, R. K., ed.Advances in Microbial Physiology. Advances in Microbial Physiology (dalam bahasa Inggris).40. Academic Press. hlm. 353–399.doi:10.1016/s0065-2911(08)60135-6.Diarsipkan dari versi asli tanggal 2015-09-24. Diakses tanggal2020-07-20.Parameter|url-status= yang tidak diketahui akan diabaikan (bantuan)
Aryulina, Diah (2007).Biologi 3 SMA dan MA Untuk Kelas XII. Jakarta: Esis/Erlangga.ISBN 974-734-551-3.Parameter|coauthors= yang tidak diketahui mengabaikan (|author= yang disarankan) (bantuan)(Indonesia)
