Informasi

5.1: Jenis Metabolisme - Biologi

5.1: Jenis Metabolisme - Biologi



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

5.1: Jenis Metabolisme

5.1: Jenis Metabolisme - Biologi

Semua organisme membutuhkan energi untuk menyelesaikan tugas-tugasnya. Metabolisme adalah kumpulan reaksi kimia yang melepaskan energi untuk proses seluler.

Tujuan pembelajaran

Jelaskan pentingnya metabolisme

Takeaways Kunci

Poin Kunci

  • Semua organisme hidup membutuhkan energi untuk tumbuh dan berkembang biak, mempertahankan strukturnya, dan merespons lingkungannya. Metabolisme adalah serangkaian proses yang membuat energi tersedia untuk proses seluler.
  • Metabolisme adalah kombinasi reaksi kimia yang spontan dan melepaskan energi dan reaksi kimia yang tidak spontan dan membutuhkan energi untuk melanjutkan.
  • Organisme hidup harus mengambil energi melalui makanan, nutrisi, atau sinar matahari untuk melakukan proses seluler.
  • Transportasi, sintesis, dan pemecahan nutrisi dan molekul dalam sel membutuhkan penggunaan energi.

Istilah Utama

  • metabolisme: set lengkap reaksi kimia yang terjadi pada sel hidup
  • bioenergi: studi tentang transformasi energi yang terjadi pada organisme hidup
  • energi: kemampuan untuk melakukan kerja

Energi dan Metabolisme

Semua organisme hidup membutuhkan energi untuk tumbuh dan berkembang biak, mempertahankan struktur mereka, dan menanggapi lingkungan mereka. Metabolisme adalah serangkaian proses kimia yang menopang kehidupan yang memungkinkan organisme mengubah energi kimia yang tersimpan dalam molekul menjadi energi yang dapat digunakan untuk proses seluler. Hewan mengkonsumsi makanan untuk mengisi energi metabolisme mereka memecah karbohidrat, lipid, protein, dan asam nukleat untuk menyediakan energi kimia untuk proses ini. Tumbuhan mengubah energi cahaya dari matahari menjadi energi kimia yang tersimpan dalam molekul selama proses fotosintesis.

Bioenergi dan Reaksi Kimia

Para ilmuwan menggunakan istilah bioenergi untuk membahas konsep aliran energi melalui sistem kehidupan seperti sel. Proses seluler seperti pembentukan dan penghancuran molekul kompleks terjadi melalui reaksi kimia selangkah demi selangkah. Beberapa dari reaksi kimia ini spontan dan melepaskan energi, sedangkan yang lain membutuhkan energi untuk melanjutkan. Semua reaksi kimia yang terjadi di dalam sel, termasuk yang menggunakan energi dan yang melepaskan energi, adalah metabolisme sel.

Sebagian besar energi berasal dari matahari, baik secara langsung maupun tidak langsung: Sebagian besar bentuk kehidupan di bumi mendapatkan energinya dari matahari. Tumbuhan menggunakan fotosintesis untuk menangkap sinar matahari, dan herbivora memakan tumbuhan tersebut untuk mendapatkan energi. Karnivora memakan herbivora, dan pengurai mencerna materi tumbuhan dan hewan.

Metabolisme Seluler

Setiap tugas yang dilakukan oleh organisme hidup membutuhkan energi. Energi dibutuhkan untuk melakukan pekerjaan berat dan olahraga, tetapi manusia juga menggunakan banyak energi saat berpikir dan bahkan saat tidur. Untuk setiap tindakan yang membutuhkan energi, banyak reaksi kimia terjadi untuk menyediakan energi kimia ke sistem tubuh, termasuk otot, saraf, jantung, paru-paru, dan otak.

Sel-sel hidup dari setiap organisme terus-menerus menggunakan energi untuk bertahan hidup dan tumbuh. Sel memecah karbohidrat kompleks menjadi gula sederhana yang dapat digunakan sel untuk energi. Sel otot dapat mengkonsumsi energi untuk membangun protein otot panjang dari molekul asam amino kecil. Molekul dapat dimodifikasi dan diangkut di sekitar sel atau dapat didistribusikan ke seluruh organisme. Sama seperti energi yang dibutuhkan untuk membangun dan menghancurkan sebuah bangunan, energi juga dibutuhkan untuk sintesis dan pemecahan molekul.

Banyak proses seluler membutuhkan pasokan energi yang stabil yang disediakan oleh metabolisme sel. Molekul pemberi sinyal seperti hormon dan neurotransmiter harus disintesis dan kemudian diangkut antar sel. Bakteri dan virus patogen dicerna dan dipecah oleh sel. Sel juga harus mengekspor limbah dan racun agar tetap sehat, dan banyak sel harus berenang atau memindahkan materi di sekitarnya melalui gerakan pemukulan pelengkap seluler seperti silia dan flagela.

Makan menyediakan energi untuk aktivitas seperti terbang: Seekor burung kolibri membutuhkan energi untuk mempertahankan periode terbang yang lama. Burung kolibri memperoleh energinya dari mengambil makanan dan mengubah nutrisi menjadi energi melalui serangkaian reaksi biokimia. Otot terbang pada burung sangat efisien dalam produksi energi.


6.1 Energi dan Metabolisme

Pada bagian ini, Anda akan mengeksplorasi pertanyaan-pertanyaan berikut:

  • Apa itu jalur metabolisme?
  • Apa perbedaan antara jalur anabolik dan katabolik?
  • Bagaimana reaksi kimia berperan dalam transfer energi?

Koneksi untuk Kursus AP ®

Semua sistem kehidupan, dari sel sederhana hingga ekosistem kompleks, membutuhkan energi bebas untuk melakukan proses sel seperti pertumbuhan dan reproduksi.

Organisme telah mengembangkan berbagai strategi untuk menangkap, menyimpan, mengubah, dan mentransfer energi bebas. Metabolisme sel mengacu pada reaksi kimia yang terjadi di dalamnya. Beberapa reaksi metabolisme melibatkan pemecahan molekul kompleks menjadi molekul yang lebih sederhana dengan pelepasan energi (katabolisme), sedangkan reaksi metabolisme lainnya membutuhkan energi untuk membangun molekul kompleks (anabolisme). Contoh sentral dari jalur ini adalah sintesis dan pemecahan glukosa.

Konten yang disajikan di bagian ini mendukung Tujuan Pembelajaran yang diuraikan dalam Ide Besar 1 dan Ide Besar 2 dari Kerangka Kurikulum Biologi AP ® yang tercantum di bawah ini. AP ® Learning Objectives menggabungkan konten Pengetahuan Esensial dengan satu atau lebih dari tujuh Praktik Sains. Tujuan ini memberikan dasar yang transparan untuk kursus AP ® Biologi, bersama dengan pengalaman laboratorium berbasis penyelidikan, kegiatan instruksional, dan pertanyaan ujian AP ®.

Ide Besar 1 Proses evolusi mendorong keanekaragaman dan kesatuan kehidupan.
Pemahaman yang Berkelanjutan 1.B Organisme dihubungkan oleh garis keturunan dari nenek moyang yang sama.
Pengetahuan Penting 1.B.1 Organisme berbagi banyak proses dan fitur inti yang dilestarikan yang berevolusi dan didistribusikan secara luas di antara organisme saat ini.
Praktek Sains 3.1 Siswa dapat mengajukan pertanyaan ilmiah.
Tujuan Pembelajaran 1.14 Siswa mampu mengajukan pertanyaan ilmiah yang dengan benar mengidentifikasi sifat-sifat penting dari proses kehidupan inti bersama yang memberikan wawasan tentang sejarah kehidupan di Bumi.
Pengetahuan Penting 1.B.1 Organisme berbagi banyak proses dan fitur inti yang dilestarikan yang berevolusi dan didistribusikan secara luas di antara organisme saat ini.
Praktek Sains 7.2 Siswa dapat menghubungkan konsep di dalam dan di seluruh domain untuk menggeneralisasi atau mengekstrapolasi dalam dan/atau lintas pemahaman dan/atau gagasan besar yang bertahan lama.
Tujuan Pembelajaran 1.15 Siswa dapat menjelaskan contoh spesifik dari proses dan fitur inti biologis yang dilestarikan yang dimiliki bersama oleh semua domain atau dalam satu domain kehidupan, dan bagaimana proses dan fitur inti bersama yang dilestarikan ini mendukung konsep nenek moyang yang sama untuk semua organisme.
Pengetahuan Penting 1.B.1 Organisme berbagi banyak proses dan fitur inti yang dilestarikan yang berevolusi dan didistribusikan secara luas di antara organisme saat ini.
Praktek Sains 6.1 Siswa dapat membenarkan klaim dengan bukti.
Tujuan Pembelajaran 1.16 Siswa dapat membenarkan klaim ilmiah bahwa organisme berbagi banyak proses inti yang dilestarikan dan fitur yang berevolusi dan didistribusikan secara luas di antara organisme saat ini.
Ide Besar 2 Sistem biologis memanfaatkan energi bebas dan blok bangunan molekuler untuk tumbuh, bereproduksi, dan mempertahankan homeostasis dinamis.
Pemahaman yang Berkelanjutan 2.A Pertumbuhan, reproduksi, dan pemeliharaan sistem kehidupan membutuhkan energi dan materi bebas.
Pengetahuan Penting 2.A.1 Semua sistem kehidupan membutuhkan masukan energi bebas yang konstan.
Praktek Sains 6.2 Siswa dapat mengkonstruksi penjelasan fenomena berdasarkan bukti yang dihasilkan melalui praktik ilmiah.
Tujuan Pembelajaran 2.1 Mahasiswa mampu menjelaskan bagaimana sistem biologi menggunakan energi bebas berdasarkan data empiris bahwa semua organisme memerlukan masukan energi yang konstan untuk mempertahankan organisasi, tumbuh dan berkembang biak.

Pertanyaan Tantangan Praktik Sains berisi pertanyaan tes tambahan untuk bagian ini yang akan membantu Anda mempersiapkan diri untuk ujian AP. Pertanyaan-pertanyaan ini membahas standar berikut:
[APLO 2.1][APLO 2.3][APLO 4.3][APLO 4.15][APLO 4.17][APLO 2.21]

Dukungan Guru

Dimulai dengan definisi metabolisme sebagai aktivitas kimia total suatu organisme, tanyakan kepada siswa contoh proses yang sesuai. Hitung contoh di papan atau layar dan kembangkan sesuai kebutuhan.

Konsep anabolisme dan katabolisme mungkin sulit untuk tetap lurus. Gunakan contoh steroid anabolik sebagai cara (tidak pantas dan berbahaya) untuk membangun tubuh, oleh karena itu, setiap proses anabolik membangun makromolekul dan sebaliknya, katabolik, memecahnya.

Para ilmuwan menggunakan istilah bioenergi untuk membahas konsep aliran energi (Gambar 6.2) melalui sistem kehidupan, seperti sel. Proses seluler seperti pembentukan dan penghancuran molekul kompleks terjadi melalui reaksi kimia bertahap. Beberapa dari reaksi kimia ini spontan dan melepaskan energi, sedangkan yang lain membutuhkan energi untuk melanjutkan. Sama seperti makhluk hidup harus terus-menerus mengonsumsi makanan untuk mengisi kembali apa yang telah digunakan, sel-sel harus terus-menerus menghasilkan lebih banyak energi untuk mengisi kembali energi yang digunakan oleh banyak reaksi kimia yang membutuhkan energi yang terus-menerus berlangsung. Semua reaksi kimia yang terjadi di dalam sel, termasuk yang menggunakan energi dan yang melepaskan energi, adalah metabolisme sel .

Metabolisme Karbohidrat

Metabolisme gula (karbohidrat sederhana) adalah contoh klasik dari banyak proses seluler yang menggunakan dan menghasilkan energi. Makhluk hidup mengkonsumsi gula sebagai sumber energi utama, karena molekul gula memiliki banyak energi yang tersimpan dalam ikatannya. Pemecahan glukosa, gula sederhana, dijelaskan oleh persamaan:

Karbohidrat yang dikonsumsi berasal dari organisme yang berfotosintesis seperti tanaman (Gambar 6.3). Selama fotosintesis, tanaman menggunakan energi sinar matahari untuk mengubah gas karbon dioksida (CO .).2) menjadi molekul gula, seperti glukosa (C6H12HAI6). Karena proses ini melibatkan sintesis molekul penyimpan energi yang lebih besar, diperlukan masukan energi untuk melanjutkan. Sintesis glukosa dijelaskan oleh persamaan ini (perhatikan bahwa ini adalah kebalikan dari persamaan sebelumnya):

Selama reaksi kimia fotosintesis, energi disediakan dalam bentuk molekul berenergi sangat tinggi yang disebut ATP, atau adenosin trifosfat, yang merupakan mata uang energi utama semua sel. Sama seperti dolar digunakan sebagai mata uang untuk membeli barang, sel menggunakan molekul ATP sebagai mata uang energi untuk melakukan pekerjaan segera. Gula (glukosa) disimpan sebagai pati atau glikogen. Polimer penyimpan energi seperti ini dipecah menjadi glukosa untuk memasok molekul ATP.

Energi matahari diperlukan untuk mensintesis molekul glukosa selama reaksi fotosintesis. Dalam fotosintesis, energi cahaya dari matahari awalnya diubah menjadi energi kimia yang sementara disimpan dalam molekul pembawa energi ATP dan NADPH (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate). Energi yang tersimpan dalam ATP dan NADPH kemudian digunakan kemudian dalam fotosintesis untuk membangun satu molekul glukosa dari enam molekul CO2. Proses ini dianalogikan dengan sarapan di pagi hari untuk memperoleh energi bagi tubuh Anda yang dapat digunakan di kemudian hari. Dalam kondisi ideal, energi dari 18 molekul ATP diperlukan untuk mensintesis satu molekul glukosa selama reaksi fotosintesis. Molekul glukosa juga dapat dikombinasikan dengan dan diubah menjadi jenis gula lainnya. Ketika gula dikonsumsi, molekul glukosa akhirnya masuk ke setiap sel hidup organisme. Di dalam sel, setiap molekul gula dipecah melalui serangkaian reaksi kimia yang kompleks. Tujuan dari reaksi ini adalah untuk memanen energi yang tersimpan di dalam molekul gula. Energi yang dipanen digunakan untuk membuat molekul ATP berenergi tinggi, yang dapat digunakan untuk melakukan pekerjaan, menggerakkan banyak reaksi kimia di dalam sel. Jumlah energi yang dibutuhkan untuk membuat satu molekul glukosa dari enam molekul karbon dioksida adalah 18 molekul ATP dan 12 molekul NADPH (masing-masing setara secara energi dengan tiga molekul ATP), atau total 54 molekul ATP setara diperlukan untuk sintesis satu molekul glukosa. Proses ini adalah cara mendasar dan efisien bagi sel untuk menghasilkan energi molekuler yang mereka butuhkan.

Dukungan Guru

Tanyakan kepada siswa dari mana energi yang digunakan untuk metabolisme berasal. Mintalah mereka melacak energi kembali ke tanaman dan energi cahaya yang diubah tanaman menjadi gula. Mulailah mengenalkan interaksi antara metabolisme karbohidrat, lipid, dan protein. Tanyakan kepada mereka apa akhir dari energi (panas).

Jalur Metabolik

Proses pembuatan dan pemecahan molekul gula menggambarkan dua jenis jalur metabolisme. Jalur metabolisme adalah serangkaian reaksi biokimia yang saling berhubungan yang mengubah molekul atau molekul substrat, langkah demi langkah, melalui serangkaian zat antara metabolisme, yang pada akhirnya menghasilkan produk atau produk akhir. Dalam kasus metabolisme gula, jalur metabolisme pertama mensintesis gula dari molekul yang lebih kecil, dan jalur lainnya memecah gula menjadi molekul yang lebih kecil. Kedua proses yang berlawanan ini — yang pertama membutuhkan energi dan yang kedua menghasilkan energi — disebut sebagai jalur anabolik (pembangunan) dan katabolik (penguraian). Akibatnya, metabolisme terdiri dari bangunan (anabolisme) dan degradasi (katabolisme).

Dukungan Guru

Diskusikan evolusi jalur metabolisme yang mungkin berkembang di Bumi. Dengan menggunakan percobaan Miller–Urey yang dibahas dalam Bab 3, tanyakan mengapa tidak ada oksigen bebas di atmosfer awal. Jalur apa yang bisa berkembang dalam kondisi ini? Bagaimana ini membatasi perkembangan organisme? Jalur apa yang menciptakan oksigen bebas sebagai limbah yang dapat menembus atmosfer? Apakah ini benar-benar ide yang bagus untuk organisme yang ada? Mengapa?

Koneksi Evolusi

Evolusi Jalur Metabolik

Ada lebih banyak kompleksitas metabolisme daripada memahami jalur metabolisme saja. Kompleksitas metabolisme bervariasi dari organisme ke organisme. Fotosintesis adalah jalur utama di mana organisme fotosintesis seperti tanaman (mayoritas fotosintesis global dilakukan oleh alga planktonik) memanen energi matahari dan mengubahnya menjadi karbohidrat. Produk sampingan fotosintesis adalah oksigen, yang dibutuhkan oleh beberapa sel untuk melakukan respirasi seluler. Selama respirasi sel, oksigen membantu pemecahan katabolik senyawa karbon, seperti karbohidrat. Di antara produk katabolisme ini adalah CO2 dan ATP. Selain itu, beberapa eukariota melakukan proses katabolik tanpa oksigen (fermentasi) yaitu, mereka melakukan atau menggunakan metabolisme anaerobik.

Organisme mungkin berevolusi metabolisme anaerobik untuk bertahan hidup (organisme hidup muncul sekitar 3,8 miliar tahun yang lalu, ketika atmosfer kekurangan oksigen). Terlepas dari perbedaan antara organisme dan kompleksitas metabolisme, para peneliti telah menemukan bahwa semua cabang kehidupan berbagi beberapa jalur metabolisme yang sama, menunjukkan bahwa semua organisme berevolusi dari nenek moyang yang sama (Gambar 6.4). Bukti menunjukkan bahwa dari waktu ke waktu, jalur menyimpang, menambahkan enzim khusus untuk memungkinkan organisme untuk lebih beradaptasi dengan lingkungan mereka, sehingga meningkatkan kesempatan mereka untuk bertahan hidup. Namun, prinsip dasarnya tetap bahwa semua organisme harus memanen energi dari lingkungannya dan mengubahnya menjadi ATP untuk menjalankan fungsi seluler.

  1. Oksigen adalah produk sampingan dari respirasi anaerob, sehingga hanya ada sedikit oksigen di atmosfer sampai organisme anaerob berevolusi.
  2. Oksigen adalah produk sampingan dari fermentasi, sehingga hanya ada sedikit oksigen di atmosfer sampai prokariota muncul.
  3. Oksigen adalah produk sampingan dari respirasi aerobik, sehingga oksigen di atmosfer sangat sedikit sampai hewan berevolusi.
  4. Oksigen adalah produk sampingan dari fotosintesis, jadi ada sangat sedikit oksigen di atmosfer sampai organisme fotosintesis berevolusi.

Jalur Anabolik dan Katabolik

Jalur anabolik membutuhkan masukan energi untuk mensintesis molekul kompleks dari yang lebih sederhana. Mensintesis gula dari CO2 adalah salah satu contoh. Contoh lain adalah sintesis protein besar dari bahan penyusun asam amino, dan sintesis untaian DNA baru dari bahan penyusun asam nukleat. Proses biosintetik ini sangat penting bagi kehidupan sel, berlangsung terus-menerus, dan membutuhkan energi yang disediakan oleh ATP dan molekul berenergi tinggi lainnya seperti NADH (nicotinamide adenine dinucleotide) dan NADPH (Gambar 6.5).

ATP adalah molekul penting bagi sel untuk memiliki pasokan yang cukup setiap saat. Pemecahan gula menggambarkan bagaimana satu molekul glukosa dapat menyimpan energi yang cukup untuk membuat banyak ATP, 36 hingga 38 molekul. Ini adalah jalur katabolik. Jalur katabolik melibatkan degradasi (atau pemecahan) molekul kompleks menjadi yang lebih sederhana. Energi molekul yang tersimpan dalam ikatan molekul kompleks dilepaskan dalam jalur katabolik dan dipanen sedemikian rupa sehingga dapat digunakan untuk menghasilkan ATP. Molekul penyimpan energi lainnya, seperti lemak, juga dipecah melalui reaksi katabolik serupa untuk melepaskan energi dan membuat ATP (Gambar 6.5).

Penting untuk diketahui bahwa reaksi kimia jalur metabolisme tidak berlangsung secara spontan. Setiap langkah reaksi difasilitasi, atau dikatalisis, oleh protein yang disebut enzim. Enzim penting untuk mengkatalisis semua jenis reaksi biologis—yang membutuhkan energi dan juga yang melepaskan energi.


Domain Archaea

Seperti bakteri, organisme dalam domain Archaea adalah prokariotik dan uniseluler. Secara dangkal, mereka sangat mirip dengan bakteri, dan banyak ahli biologi bingung mereka sebagai bakteri sampai beberapa dekade yang lalu. Tetapi bersembunyi di dalam gen mereka adalah cerita yang baru-baru ini diungkapkan oleh analisis DNA modern: archaeans sangat berbeda secara genetik sehingga mereka termasuk dalam domain mereka sendiri.

Banyak spesies archaean ditemukan di beberapa lingkungan yang paling tidak ramah, daerah tekanan besar (dasar lautan), salinitas (seperti Great Salt Lake), atau panas (mata air panas bumi). Organisme yang dapat mentolerir dan bahkan berkembang dalam kondisi seperti itu dikenal sebagai ekstrimofil. (Perlu dicatat bahwa banyak bakteri juga ekstrofil). Seiring dengan bukti genetik, fakta bahwa sebagian besar archaean adalah extremophiles menunjukkan bahwa mereka mungkin keturunan dari beberapa bentuk kehidupan paling kuno di Bumi yang berasal dari planet muda yang tidak ramah menurut standar saat ini.

Untuk alasan apa pun, archaeans tidak berlimpah di dalam dan di tubuh manusia seperti bakteri, dan mereka menyebabkan penyakit yang jauh lebih sedikit. Penelitian tentang archaeans terus menjelaskan domain yang menarik dan agak misterius ini.


Ucapan Terima Kasih

Para penulis berterima kasih kepada Fasilitas Proteomik dan Metabolomik Wistar Institute atas bantuan teknisnya. Pekerjaan ini didukung oleh hibah dari organisasi berikut: Institut Kesehatan Nasional AS (R01CA160331, R01CA163377, R01CA202919 dan P50CA228991 hingga RZ P01AG031862 hingga RZ, KN dan DS R01CA148639 dan R21CA155736 hingga GD F31CA206387 hingga LL R00CA194309 hingga R00CA194309 hingga DWS R50CA211199 hingga AVK R50CA221838 hingga H.-YT dan T32CA009191 hingga TN) Departemen Pertahanan AS (OC140632P1 dan OC150446 hingga RZ) Yayasan Tina Brozman yang Terhormat untuk Penelitian Kanker Ovarium (untuk RZ) dan Aliansi Penelitian Kanker Ovarium (Pengembangan Penelitian Kolaboratif Hibah kepada RZ dan DWS, dan Ann dan Sol Schreiber Mentored Investigator Award kepada SW). Dukungan Fasilitas Inti diberikan oleh Cancer Center Support Grant CA010815 kepada The Wistar Institute.


Potensial dan Energi Kinetik

Ketika suatu benda bergerak, ada energi yang terkait dengan benda itu. Pikirkan bola perusak. Bahkan bola perusak yang bergerak lambat dapat menyebabkan kerusakan besar pada objek lain. Energi yang berhubungan dengan benda yang bergerak disebut energi kinetik (Gambar 4.5). Peluru yang melaju kencang, orang yang berjalan, dan pergerakan molekul yang cepat di udara (yang menghasilkan panas) semuanya memiliki energi kinetik.

Sekarang bagaimana jika bola perusak yang tidak bergerak itu diangkat dua tingkat di atas tanah dengan derek? Jika bola penghancur yang ditangguhkan tidak bergerak, apakah ada energi yang terkait dengannya? Jawabannya iya. Energi yang diperlukan untuk mengangkat bola perusak tidak hilang, tetapi sekarang disimpan dalam bola perusak berdasarkan posisinya dan gaya gravitasi yang bekerja padanya. Jenis energi ini disebut energi potensial (Gambar 4.5). Jika bola jatuh, energi potensial akan berubah menjadi energi kinetik sampai semua energi potensial habis ketika bola berhenti di tanah. Bola penghancur juga berayun seperti bandul melalui ayunan, terjadi perubahan energi potensial yang konstan (tertinggi di bagian atas ayunan) menjadi energi kinetik (tertinggi di bagian bawah ayunan). Contoh lain dari energi potensial termasuk energi air yang ditahan di belakang bendungan atau seseorang yang akan terjun payung dari pesawat terbang.

Gambar 4.5 Air diam memiliki energi potensial Air yang bergerak, seperti di air terjun atau sungai yang mengalir deras, memiliki energi kinetik. (kredit “dam”: modifikasi karya “Pascal”/Flickr kredit “waterfall”: modifikasi karya Frank Gualtieri)

Energi potensial tidak hanya terkait dengan lokasi materi, tetapi juga dengan struktur materi. Bahkan pegas di tanah memiliki energi potensial jika ditekan begitu juga karet gelang yang ditarik kencang. Pada tingkat molekuler, ikatan yang menyatukan atom-atom molekul ada dalam struktur tertentu yang memiliki energi potensial. Ingat bahwa jalur seluler anabolik membutuhkan energi untuk mensintesis molekul kompleks dari yang lebih sederhana dan jalur katabolik melepaskan energi ketika molekul kompleks dipecah. Fakta bahwa energi dapat dilepaskan melalui pemutusan ikatan kimia tertentu menyiratkan bahwa ikatan tersebut memiliki energi potensial. Faktanya, ada energi potensial yang tersimpan dalam ikatan semua molekul makanan yang kita makan, yang akhirnya dimanfaatkan untuk digunakan. Ini karena ikatan ini dapat melepaskan energi saat putus. Jenis energi potensial yang ada dalam ikatan kimia, dan dilepaskan ketika ikatan itu terputus, disebut energi kimia. Energi kimia bertanggung jawab untuk menyediakan sel hidup dengan energi dari makanan. Pelepasan energi terjadi ketika ikatan molekul dalam molekul makanan terputus.

Tonton video tentang kilokalori.


5. SINYAL LATIHAN MENGATUR TRANSPORTASI GLUKOSA

Protein pensinyalan intraseluler yang mengatur peningkatan translokasi GLUT4 dan transpor glukosa di otot rangka dengan olahraga juga telah menjadi area penyelidikan intensif selama 10 tahun terakhir. Karena insulin dan olahraga keduanya merangsang translokasi GLUT4, telah dihipotesiskan bahwa mungkin ada protein pensinyalan serupa yang terlibat dalam proses translokasi. Sinyal insulin melibatkan fosforilasi cepat dari reseptor insulin, substrat reseptor insulin-1/2 (IRS-1/2) pada residu tirosin, dan aktivasi phosphatidylinositol 3-kinase (PI3-K). 40,41 Sebaliknya, olahraga tidak menghasilkan fosforilasi tirosin dari reseptor insulin dan IRS-1, dan tidak ada peningkatan aktivitas PI3-K. 42,43 Bukti tambahan bahwa olahraga dapat meningkatkan transpor glukosa tanpa adanya pensinyalan insulin berasal dari penelitian yang menyelidiki tikus yang kekurangan reseptor insulin di otot rangka (reseptor insulin otot spesifik KO tikus MIRKO). 44,45 Sementara tikus-tikus ini telah menumpulkan transpor glukosa yang dirangsang insulin, 45 mereka memiliki transpor glukosa yang distimulasi oleh olahraga yang normal. 44 Secara bersama-sama, studi ini mengungkapkan bahwa insulin dan olahraga memediasi translokasi GLUT4 di otot rangka melalui mekanisme pensinyalan proksimal yang berbeda.

Telah diketahui dengan baik bahwa satu latihan mengaktifkan beberapa jalur pensinyalan, namun, mekanisme pensinyalan yang tepat yang memediasi transportasi glukosa yang dirangsang oleh latihan masih belum sepenuhnya dipahami. Aktivitas kontraktil otot menghasilkan banyak perubahan dalam serat otot termasuk perubahan status energi (yaitu, peningkatan AMP/ATP), peningkatan konsentrasi Ca2+ intraseluler, peningkatan spesies oksigen reaktif, dan peregangan serat otot. Modifikasi ini dapat mengaktifkan berbagai sinyal kaskade, beberapa di antaranya telah terlibat dalam transportasi glukosa yang dirangsang oleh olahraga 49,50 (Gbr. 1).

Model yang diusulkan untuk jalur pensinyalan yang memediasi transportasi glukosa otot rangka yang diinduksi oleh olahraga dan insulin. Insulin dimulai dengan mengikat reseptor layanan selnya yang mengarah ke kaskade reaksi fosforilasi yang melibatkan IRS-1, PI 3-kinase, dan Akt di antara protein lainnya. Latihan bekerja melalui mekanisme pensinyalan proksimal dari bentuk yang berbeda dari insulin dan kurang terdefinisi dengan baik. Kemungkinan mekanisme pensinyalan latihan proksimal memiliki redundansi karena sejumlah rangsangan telah terlibat dalam proses ini termasuk perubahan Ca2+ intraseluler, rasio AMP:ATP, generasi spesies oksigen reaktif, dan tekanan mekanis. Jalur pensinyalan insulin dan latihan diperkirakan bertemu pada tingkat protein Rab GAP TBC1D1 dan AS160, yang memungkinkan pelepasan vesikel yang mengandung GLUT4 dari simpanan intraseluler, translokasi ke tubulus transversal dan sarkolema, dan peningkatan glukosa. serapan. Diadaptasi dari Ref. 50.

5.1 AMPK dan LKB1

AMPK adalah protein heterotrimerik yang terdiri dari subunit katalitik α dan subunit regulasi β- dan γ. Subunit α- dan β masing-masing ada dalam dua isoform (㬑, 㬒 dan 㬡, 㬢), dan subunit γ ada dalam tiga isoform (㬱, 㬲, dan 㬳). AMPK diaktifkan oleh fosforilasi oleh satu atau lebih upstream kinase, termasuk LKB1. 52�

AMPK dan LKB1 telah dipelajari secara luas untuk peran potensial mereka dalam transportasi glukosa yang dirangsang oleh olahraga. 55 Bukti awal untuk peran AMPK dalam transportasi glukosa yang dirangsang oleh olahraga berasal dari penelitian menggunakan analog AMP, 5-aminoimidazole-4-carboxamide ribonucleoside (AICAR). 56,57 Studi ini menunjukkan bahwa AICAR meningkatkan transportasi glukosa di otot rangka, 56,57 dan mirip dengan kontraksi otot, efek AICAR adalah aditif dengan insulin dan PI 3-kinase-independen. 56,58 Beberapa penelitian telah menunjukkan bahwa tikus yang mengekspresikan secara berlebihan konstruksi AMPK 㬒 negatif dominan di otot atau tikus 㬑 dan 㬒 KO telah mengganggu penyerapan glukosa yang dirangsang oleh olahraga. 24,59� Sebaliknya, penelitian lain yang menggunakan model tikus dengan aktivitas AMPK yang terablasi menunjukkan bahwa penghambatan AMPK memiliki sedikit atau tidak berpengaruh pada penyerapan glukosa yang diinduksi oleh olahraga, 62,64,65 atau penyerapan glukosa yang dirangsang oleh olahraga. in vivo, 66 menyarankan redundansi dalam sistem. Oleh karena itu, masih kontroversial apakah AMPK diperlukan untuk penyerapan glukosa yang dirangsang oleh olahraga.

Peran LKB1 dalam transportasi glukosa yang dirangsang oleh olahraga juga tidak jelas. Tikus dengan KO dari LKB1 secara khusus pada otot rangka telah terbukti memiliki penumpulan transportasi glukosa yang dirangsang kontraksi yang parah. 51,67 Penurunan transpor glukosa ini dapat disebabkan oleh penurunan aktivasi AMPK dan satu atau lebih kinase terkait AMPK yang merupakan substrat LKB1. Salah satu kemungkinan substrat LKB1 yang dapat mengatur transportasi glukosa stimulasi olahraga adalah sukrosa-nonfermenting AMPK-related kinase (SNARK). Penurunan aktivitas SNARK di otot rangka terbukti menurunkan transportasi glukosa yang dirangsang oleh olahraga. 68

Sementara transpor glukosa yang dirangsang kontraksi terbukti terganggu pada tikus LKB-1 KO 51,67 dan dengan penurunan aktivitas SNARK, 68 penelitian terbaru lainnya menunjukkan bahwa penyerapan glukosa selama lari treadmill serupa, jika tidak lebih tinggi, pada tikus LKB-1 KO dibandingkan dengan kontrol tipe liar. 69 Dalam studi lain, penghapusan otot-spesifik LKB1 hanya sebagian menghambat transportasi glukosa yang dirangsang oleh olahraga. 51 Data ini menunjukkan bahwa sementara AMPK, SNARK, dan LKB1 mungkin penting dalam regulasi penyerapan glukosa yang dirangsang oleh olahraga, sistem ini harus memiliki tingkat redundansi yang tinggi, dan kemungkinan ada beberapa sistem sinyal yang tumpang tindih yang dapat mengontrol olahraga. - Merangsang transport glukosa di otot rangka. Teori ini konsisten dengan pentingnya pemanfaatan karbohidrat selama latihan untuk kelangsungan hidup.

5.2 Ca 2+ /Kalmodulin-Tergantung Protein Kinase

Aktivitas kontraktil otot rangka memerlukan peningkatan konsentrasi Ca2+ intraseluler, dan beberapa penelitian telah menunjukkan bahwa pensinyalan Ca2+ /calmodulin dan Ca2+ /calmodulin-dependent protein kinase adalah sinyal penting yang memediasi transportasi glukosa yang distimulasi oleh olahraga di otot rangka. Inkubasi otot rangka tikus dengan Ca2+ /calmodulin inhibitor KN-93 menurunkan transpor glukosa yang dirangsang kontraksi. 70 KN-93 juga menghambat fosforilasi CaMKII yang diinduksi oleh olahraga tanpa adanya penghambatan AMPK, menunjukkan bahwa CaMK mengatur transportasi glukosa secara independen dari pensinyalan AMPK. 70,71 Studi-studi ini juga menunjukkan bahwa ekspresi berlebihan CaMKKα yang aktif secara konstitutif pada otot rangka tikus meningkatkan fosforilasi AMPK Thr-172 dan pengambilan glukosa otot rangka. 71 Elektroporasi inhibitor CaMKII spesifik ke otot tibialis anterior tikus mengurangi penyerapan glukosa yang dirangsang oleh olahraga sebesar 30%. 72 Namun, sebuah studi terpisah menemukan bahwa peningkatan konsentrasi Ca 2+ di otot menyebabkan sangat sedikit peningkatan ambilan glukosa ketika respons kontraktil otot terganggu. 73 Data ini menunjukkan efek tidak langsung Ca 2+ pada pengambilan glukosa otot, dan studi tentang pensinyalan kalsium dalam regulasi transportasi glukosa yang dirangsang oleh olahraga memerlukan penyelidikan lebih lanjut.

5.3 Sinyal Hilir yang Memediasi Transportasi Glukosa yang Dirangsang Latihan

Protein pensinyalan di hilir dalam latihan dan jalur pensinyalan insulin telah diusulkan untuk bertemu di protein Rab GAP substrat Akt 160 kDa (AS160/TBC1D4) dan Tre-2/USP6, BUB2, cdc16 domain family member 1 (TBC1D1). AS160 dan TBC1D1 terkait dengan translokasi GLUT4 melalui protein Rab (ras homolog dari otak). Protein rab adalah anggota dari superfamili Ras GTPase kecil 74 dan telah terbukti terlibat dalam banyak peristiwa perdagangan membran. Rabs aktif merekrut berbagai protein efektor yang terlibat dalam pembentukan vesikel, penarikan, dan fusi. 49,74,75 Selain peran mapan protein Rab, ada bukti bahwa keluarga Rho GTPase Rac1 terlibat dalam translokasi GLUT4 yang distimulasi insulin dan latihan. 76,77 Tikus yang kekurangan Rac1 (Rac1 KO) telah menurunkan translokasi GLUT4 yang dirangsang insulin, 71,76 dan penghambatan Rac1 menurunkan penyerapan glukosa yang dirangsang oleh kontraksi pada otot rangka tikus. 77

5.4 AS160 dan TBC1D1

AS160 awalnya ditunjukkan untuk mengatur translokasi GLUT4 yang dirangsang insulin dalam adiposit 3T3LI. 78� AS160 memiliki banyak situs fosforilasi, dan aktivitas Rab GAP dikendalikan oleh fosforilasi. Situs fosforilasi yang paling banyak dipelajari adalah sekelompok enam situs berbeda yang diidentifikasi sebagai substrat untuk Akt. Ini secara kolektif disebut sebagai situs fosfo-Akt-substrat (PAS) dan insulin dan olahraga meningkatkan fosforilasi PAS AS160 di otot rangka. 78,81,82 Latihan berkepanjangan pada manusia 82� dan tikus, 78 serta AICAR, juga diketahui menyebabkan fosforilasi AS160 PAS. Oleh karena itu, selain Akt, AMPK telah terbukti memfosforilasi AS160. 81 Mutation of four PAS sites significantly inhibits both insulin- and exercise-induced glucose uptake. 85 AS160 also contains a calmodulin-binding domain, and mutation of this domain inhibits exercise-, but not insulin-stimulated glucose uptake. 86 These data show that both phosphorylation and calmodulin binding on AS160 are involved in the regulation of exercise-stimulated glucose uptake. These data also suggest that while AS160 may serve as a point of convergence for both insulin- and exercise-dependent signaling in the regulation of glucose uptake, other proteins may be involved in this regulation of glucose uptake.

TBC1D1 is another potential molecular link among signaling pathways converging on GLUT4 translocation in skeletal muscle. 78,81,87� TBC1D1 and AS160 share 47% overall identity and have several comparable structural features. TBC1D1 was first identified in adipocytes in culture but has only very limited expression in this tissue. In contrast, TBC1D1 is highly expressed in skeletal muscle. 89 Insulin increases TBC1D1 PAS phosphorylation in skeletal muscle 90,92,93 but, unlike AS160, TBC1D1 can regulate insulin-stimulated glucose transport through a PAS-independent mechanism. 92 Mutations of TBC1D1 differentially regulate insulin- and exercise-stimulated glucose transport in skeletal muscle. 92,93 Thus, TBC1D1 regulates both insulin- and exercise-stimulated glucose transport in muscle, but through distinct phosphorylation sites. Taken together, these data demonstrate that AS160 and TBC1D1 are a point of convergence for the regulation of GLUT4 translocation for insulin- and exercise-stimulated glucose transport in skeletal muscle.


Chronic Liver Disease

Alan E. Read MD FRCP , . J.M. Naish MD FRCP , in Basic Gastroenterology (Third Edition) , 1981

A Diabetes Mellitus

The liver is the main source of glucose, which is produced by the breakdown of hepatic glycogen. In diabetes hepatomegaly is common, and in diabetic ketosis severe upper abdominal pains are usually attributed to distension of the hepatic capsule by a swollen liver.

In thin diabetic patients who need insulin hepatomegaly may occur. The reason for the hepatomegaly is sometimes fatty infiltration and sometimes increased glycogen stores. Hepatomegaly is particularly common where there is poor diabetic control, but with improvement the liver may return to normal size. In the obese, mild and usually elderly diabetic not requiring insulin, hepatomegaly is due to fatty infiltration. Fatty degeneration of the liver is common in subjects who are obese but not diabetic, so that this lesion may be as much an indication of obesity as of diabetes. Cirrhosis of the liver seems to be somewhat commoner in diabetics than in non-diabetics. It must be remembered that, apart from the association of diabetes with haemochromatosis, diabetes is also found in about a third of cirrhotics and an abnormality of the glucose tolerance curve in nearly 80 per cent. It has been recognized for some time that raised serum insulin values and a subsequent insulin resistance are features of the association, but it has been uncertain until recently as to whether this was due to increased pancreatic insulin secretion or failure of the abnormal liver to destroy circulating insulin. Measurement of serum insulin and C peptide levels have shown that the hyperinsulinaemia represents a failure of hepatic insulin inactivation supplemented by shunting into portal collaterals. The diabetes is often mild but complications, particularly infections, may be serious particularly as they can precipitate liver cell failure.


Anabolic and Catabolic Pathways

Anabolic pathways require an input of energy to synthesize complex molecules from simpler ones. Synthesizing sugar from CO2 is one example. Other examples are the synthesis of large proteins from amino acid building blocks, and the synthesis of new DNA strands from nucleic acid building blocks. These biosynthetic processes are critical to the life of the cell, take place constantly, and demand energy provided by ATP and other high-energy molecules (Gambar 4).

ATP is an important molecule for cells to have in sufficient supply at all times. The breakdown of sugars illustrates how a single molecule of glucose can store enough energy to make a great deal of ATP, 36 to 38 molecules. This is a catabolic pathway. Catabolic pathways involve the degradation (or breakdown) of complex molecules into simpler ones. Molecular energy stored in the bonds of complex molecules is released in catabolic pathways and harvested in such a way that it can be used to produce ATP. Other energy-storing molecules, such as fats, are also broken down through similar catabolic reactions to release energy and make ATP (Gambar 4).

It is important to know that the chemical reactions of metabolic pathways don’t take place spontaneously. Each reaction step is facilitated, or catalyzed, by a protein called an enzyme. Enzymes are important for catalyzing all types of biological reactions—those that require energy as well as those that release energy.

Gambar 4. Anabolic pathways are those that require energy to synthesize larger molecules. Catabolic pathways are those that generate energy by breaking down larger molecules. Both types of pathways are required for maintaining the cell’s energy balance.


Metabolism

Metabolism is the process of breaking nutrients into fundamental components and then building it up in several useful ways. It can be useful for structure, useful for providing energy so that it is easier for us to sustain our lives with all processes such as reproduction, growth and response to surroundings.

Metabolism Meaning

Metabolism Definition- It can be defined as all the chemical reactions taking place inside of a cell often linked in pathways or chains.

In some of the chemical reactions taking place during metabolism, energy is released and in others, energy is added for the reactions to take place. A metabolism example of the former case is cellular respiration where a sugar molecule is broken down and energy is released in the form of ATP (Adenosine Triphosphate) an example of the latter is photosynthesis where sunlight energy is used by plants to convert carbon dioxide into sugar molecules.

Types of Metabolism

Metabolism consists of two different processes:

Catabolism : Breaking down the substances for energy or structure to getting back to the building blocks.

Anabolism: Rebuild the substances in ways that we find it useful.

Catabolic and Anabolic Pathways

A metabolic pathway is a series of linked chemical reactions that include making and breaking down glucose molecules and releasing or utilising energy. The building up pathway is Anabolic pathway whereas breaking down pathways is a catabolic pathway. Let’s discuss these two pathways in detail:

Anabolic Pathway

It helps in building complex molecules from simpler molecules and here energy is consumed i.e. it needs the input of energy. A few examples of the anabolic pathway include-

Synthesis of proteins from amino acids

DNA strands from nucleic acid building blocks called nucleotides.

Conversion of amino acids into keratin

Conversion of glycogen or starch from the glucose molecule

The energy used in these important biosynthetic processes is in the form of ATP and other short-term energy storage molecules.

Catabolic Pathway

It involves the breakdown of complex molecules into simpler ones and is a pathway that releases energy in the form of ATP. Metabolism examples for the catabolic pathway include-

The breakdown of glucose into Pyruvate

Conversion of proteins into amino acids

Conversion of lipids or fats into fatty acids

All of these degradations occur in a pathway and energy (ATP) is released to power the work of cells.

When we eat food, the molecules are converted to amino acids, sugars and fatty acids with the release of ATP (energy) and waste materials like Nitrogen, CO2, Phosphorus and Sulphur excreted out of the body. Here, we can see whatever we put inside our body in the form of food, it changed into another form.

The outcomes of the catabolic pathway are absorbed by our intestines, enter the bloodstream and then are distributed to the body cells. Its functions include-

The energized cell forms replacement parts for its own molecules which are worn out and other times, it builds energy molecules in the body.

These act like fuel to power the cell’s future activities. Example- Muscle cells use energy molecules to contract and brain cells utilize them to form thought processes.


Tonton videonya: Սպիտակուցների կառուցվածքն ու հատկությունները. ԿԵՆՍԱՔԻՄԻԱ (Agustus 2022).