2016 MATERI AJAR FISIOLOGI VETERINER II (METABOLISME) 1

METABOLISME BAGIAN FISIOLOGI

DEPARTEMEN ANATOMI, FISIOLOGI DAN FARMAKOLOGI FAKULTAS KEDOKTERAN HEWAN IPB 4/12/2016

MATERI AJAR FISIOLOGI VETERINER II (METABOLISME)

1

Sumber Bacaan: 1. Cunningham’s Textbook of Veterinary Physiology 5th edition; Elsevier, pp 342-358

2. Clinical Anatomy and Physiology for Veterinary Technicians 3rd edition (Colville and Bassert), pp 417-444 3. Dee Unglaub Silverthorn Human Physiology An Integrated Approach, pp 739-765

4/12/2016


2

Foundation of nutrition and cell metabolism

4/12/2016


3

Metabolisme anabolisme

Metabolisme katabolisme Metabolisme: urutan atau suksesi proses kimia yang terjadi dalam

organisme hidup Anabolisme: sintesis senyawa kompleks dari bahan-bahan sederhana, contoh pembentukan glikogen dari glukosa

(glikogenesis); lipogenesis, protein sintesis, dll Katabolisme: perombakan senyawa kompleks menjadi bahan-bahan yang lebih sederhana, contohnya: glikolisis, lipolisis,

perombakan nutrien menjadi CO2 + H2O + energi, dll 4/12/2016


4

Katabolisme bahan makanan

produksi energi

Penting untuk : - mempertahankan fungsi-fungsi tubuh - digesti - metabolisme

- pengaturan suhu - aktivitas fisik

4/12/2016


5

Transfer energi : - Energi yang dihasilkan dari proses katabolisme dipakai untuk pembentukan :

Senyawa fosfat kaya energi ATP, dihidrolisa menjadi ADP & AMP Kreatin fosfat GTP (guanosin trifosfat) CTP (sitidin trifosfat) UTP (uridin trifosfat) ITP (inosin trifosfat) • Kelompok tio-ester : Koenzim-A (Ko-A) HS - Ko-A + as. Asetat (reduced Ko-A) 4/12/2016

asetil ko-A


6

ATP dan Perpindahan Energi Sel •

•

Di dalam sel, energi dari katabolisme akan dipindahkan ke ATP Hidrolisa ATP ke ADP dan P akan melepaskan energi yang kemudian digunakan untuk kegiatan sel ATP + H2O  ADP + P + 7 kcal/mol

4/12/2016


7

Hukum I Termodinamik : Energi tidak dapat dibentuk maupun

dimusnahkan, tetapi dapat dikonversikan ΔE=H+W 60 %

40 %

ATP

Δ E = energi yang dibebaskan H = panas W = energi untuk kerja (transport, mekanik dan kimia)

Total energi yang di hasilkan = Panas yang dihasilkan oleh tubuh + kerja luar + energi yang disimpan 4/12/2016


8

Molekul Makanan (Karbohidrat, Protein atau Lemak)

Katabolisme

CO2 + H2O + NH3

ENERGI PANAS 60%

ENERGI KIMIA 40%

ADP + P

ATP

Energi yang digunakan untuk fungsi sel : (1) Tenaga dan pergerakan, (2)Transport Membran, (3) Sintesa Molekul 4/12/2016


9

Absorbtif vs post absorbtif

4/12/2016


10

Metabolic pathway saat absorbtif

4/12/2016


11

Metabolic pathway saat post absorbtif

4/12/2016


12

4/12/2016


13

4/12/2016


14

Basal Metabolic Rate (BMR) = Laju metabolisme basal Diukur pada keadaan: - Istirahat

- suhu nyaman - post absortif (12-14 jam setelah makan)

 Keseimbangan energi Seimbang antara ‘intake’ kalori & ‘output’ energi Bila -

katabolisme sumber-sumber energi (endogenous)

Bila +

energi akan tersimpan

individu akan menjadi gemuk

4/12/2016


15

Metabolic Rate = Laju Metabolisme • Jumlah energi/panas yang dihasilkan persatuan waktu • Energi disimpan dlm bentuk senyawa-kaya-energi (ATP, GTP, ADP, dll.)

• Satuan ukuran energi/panas : kilokalori (K) Definisi : jumlah panas yg diperlukan untuk me ↑ kan suhu 1 gr air 1oC

- Pengukuran energi : o Kalorimetri langsung ( dengan climate chamber; dg bomb kalorimeter ) o Kalorimetri tak langsung - konsumsi O2 - produksi CO2

4/12/2016

}

RQ (Respiratory Quotient) : prod CO2/kons O2


16

Nutrient

Respiratory Quotient

Carbohydrates

1

Proteins

0.8 - 0.9

Ketones (eucaloric)

0.73

Ketones (hypocaloric)

0.66

Triolein (Fat)

0.7

Oleic Acid (Fat)

0.71

Tripalmitin (Fat)

0.7

Malic acid

1.33

Tartaric acid

1.6

Oxalic acid

4.0

4/12/2016


17

Bomb calorimeter

http://image.wistatutor.com/content/feed/tvcs/image1_27.jpg 4/12/2016


18

Pengukuran Laju Metabolisme dengan produksi panas

4/12/2016


19

Pengukuran Laju Metabolisme dengan konsumsi O2

4/12/2016


20

Faktor – faktor yang mempengaruhi laju metabolisme : - aktivitas muskular - ingesti makanan - suhu lingkungan - tinggi, berat dan luas permukaan tubuh - sex - umur - keadaan emosi - suhu tubuh - konsentrasi hormon-hormon tiroid di darah - konsentrasi epinefrin/norepinefrin di darah

4/12/2016


21

Kontrol Asupan Makanan “Satiety signals”

lapar

reseptor

kenyang Melibatkan konsentrasi glukosa plasma & hormone yang mengatur metabolisme bahan2 organik (KH & lemak) Hormon Yang Mengatur Metabolisme : -Insulin - glukagon - GH - Glukokortikoid - Epinefrin - Tiroksin Tidak ada efek

Glukosa

4/12/2016


22

4/12/2016


23

4/12/2016


24

Sumber karbohidrat

4/12/2016


25

Fase absorptive KARBOHIDRAT Insulin   stimulan: gastric inhibitory peptide Penyimpanan glukosa oleh hati  glikogen dan TG Glukosa  glikogen Glukosa  asam lemak via glikolisis  2 piruvat  asetil ko-A  siklus Krebs + oksaloasetat sitrat  ke sitosol asam lemak Glukosa  asam lemak (irreversibel)

4/12/2016


26

4/12/2016


27

Katabolisme Karbohidrat 1.

Katabolisme aerobik melalui jalur glikolitik akan menghasilkan asam piruvat dan masuk ke siklus Krebs 

 

4/12/2016

Kondisi Aerobik : 38 molekul ATP dihasilkan dimana 34 berasal dari oksidasi fosforilisasi, 2 ATP dari glikolisis dan 2 ATP dari siklus Krebs Kondisi Anaerobik : 2 molekul ATP dihasilkan 40 % energi dari glukosa pada kondisi aerobik dipindahkan ke ATP dan sisanya untuk produksi panas


28

GLIKOLISIS 



Kelompok fosfat dipindahkan dari metabolik fosforilated ke ADP. Substrat fosforilisasi umumnya terjadi pada jalur glikolitik dimana enzim yang terlibat terdapat pada sitosol Glukosa + 2ADP + 2Pi

2 as.laktat + 2 ATP + 2 H20 

Karbohidrat adalah bahan yang hanya dapat masuk ke jalur glikolitik : 

Aerobik : ATP dan asam piruvat



Anaerobik : ATP dan asam laktat

4/12/2016


29

Glikolisis Menggunakan 2 ATP

Menghasilkan 4 ATP Glikolisis menghasilkan: • (4 - 2) = 2 ATP • 2 asam piruvat • 2 NADH 4/12/2016


30

Glikolisis anaerobik

4/12/2016


31

Respirasi selular

4/12/2016


32

Siklus Kreb’s

Siklus Kreb menghasilkan: • 1 ATP • 3 NADH • 1 FADH2

4/12/2016


33

Oksidasi Biologis - Oksidasi : reaksi senyawa + O2 ( hilangnya H+ , e- ) - >< reduksi - Oksidasi

dikatalisis oleh enzim

Fosforilasi Oksidatif - Pembentukan ATP melalui proses oksidasi oleh flavoprotein dan enzim-enzim sitokrom

4/12/2016


34

Oksidasi fosforilisasi Reaksi yang melibatkan 2 atom H kombinasi dengan oksigen untuk membentuk air



Terjadi pada membran bagian dalam dari mitokondria karena enzim pembentuk ada di dalam mitokondria



H+ didapat dari katabolisme bahan makanan dan ditransfer ke mitokondria sebagai coenym-2H





Coenzym-2H + ½ O2

Coenzym + H2O + 52 kcal/mol 

Merupakan penghasil utama ATP

4/12/2016


35

Fosforilasi oksidatif

4/12/2016


36

4/12/2016


37

Metabolisme Karbohidrat (lanjutan) • •

•

4/12/2016

Karbohidrat disimpan dalam glikogen terutama di hati dan otot rangka Glukosa dapat disintesa dari asam amino, asam piruvat dan gliserol. Asam laktat tidak dapat disintesa menjadi glukosa kecuali di hati


38

Glikogenesis dan Glikogenolisis Membran sel

glikogen Uridin difosfat glukosa

fosforilase Glukosa-1-P

Glukosa darah

glukokinase/heksokinase

glukosa fosfatase

Glukosa-6-P Glikolisis

4/12/2016


39

Sintesa Glukosa - Glikogen

4/12/2016


40

 Fosforilasi glukosa bersifat ireversibel kecuali di sel hati, epitel tubulus ginjal dan sel epitel usus karena adanya enzim glukosa fosfatase

 Oksidasi 1 gram molekul glukosa  lepaskan energi 686.000 kalori  Pembentukan 1 gram molekul ATP perlu 12.000 kalori  mekanisme pemecahan glukosa secara progresif  38 mol ATP 4/12/2016


41

 Pemecahan glikogen menjadi glukosa: glikogenolisis

 Pengaktifan fosforilasi oleh : epinefrin dan glukagon siklik AMP  Pelepasan energi dari glukosa glikolisis (hasilkan 2 molekul asam piruvat)  38 molekul ATP  Pelepasan energi dari glukosa  Jalur glikolisis (Embden Meyerhof)  Jalur pentosa fosfat (fosfoglukonat) 4/12/2016


42

4/12/2016


43

 GLIKOGENESIS - dari glukosa - dari asam laktat, gliserol, asam piruvat, dan beberapa asam amino deaminasi  glukosa  glikogen  GLIKOGENOLISIS - fosforilasi  enzim fosforilase - aktivasi oleh epinefrin dan glukagon   siklik AMP  GLIKOLISIS - Pelepasan energi dari molekul glukosa  GLUKONEOGENESIS - Terjadi di hati, dan sebagian kecil di ginjal 4/12/2016


44

Pengaturan pelepasan energi dari glikogenolisis  glikolisis

1. Hambatan terhadap enzim fosfofruktokinase oleh ATP  hambat pembentukan fruktosa 1,6-fosfatase 2. Hambatan oleh ion sitrat 3. Mekanisme sistem ATP-ADP-AMP

4/12/2016


45

4/12/2016


46

4/12/2016


47

LEMAK  LEMAK :

- Trigliserida (lemak netral) - Fosfolipid - Kolesterol

 Trigliserida (TG) :  asam lemak rantai panjang + gliserol

- asam stearate (18 C. jenuh) - asam oleat (16 C, tidak jenuh) - asam palmitate (16 C, jenuh)

4/12/2016


48

Asam lemak jenuh

4/12/2016


49

Asam lemak tidak jenuh

4/12/2016


50

Trigliserida LIPID

Fosfolipid Kolesterol

sumber energi

}

Trigliserida sebagai energi

Membran sel

146 mol ATP

Jumlah ATP yang terbentuk dari 1 gr lemak adalah 2,5 kali ATP yang terbentuk dari 1 gr karbohidrat

4/12/2016


51

Pencernaan TG  asam lemak + gliserol kilomikron (droplet kecil TG), apoB masuk ke dalam pembuluh limfe

4/12/2016


52

Hidrolisis kilomikron oleh LPL (lipoprotein lipase) di jar. adiposa dan hati  as. lemak dan gliserol kemudian dibentuk TG kembali di dalam sel hati dan adiposa Bila diperlukan untuk energi  TG dari depo lemak ditranspor ke jaringan lain dalam bentuk asam lemak bebas atau as. lemak bukan ester  berikatan dgn albumin  kontrol : - kadar glukosa pada sel adiposa   - gliserofosfat   hidrolisis TG - hormon2 yang mekan hidrolisis TG

4/12/2016


53

LIPOPROTEIN  Komposisi : TG, kolesterol, fosfolipid dan protein  Dibentuk di hati  Fungsi : transport lemak dalam darah  Jenis : - VLDL  TG, kolesterol dan fosfolipid sedang - IDL  TG , kolesterol dan fosfolipid >> - LDL  TG tidak ada, kolesterol , fosfolipid sedang - HDL  protein , kolesterol dan fosfolipid <<

4/12/2016


54

4/12/2016


55

4/12/2016


56

Metabolisme Lemak Lemak terutama disimpan dalam jaringan lemak •

•

Asam lemak dipecah di dalam mitokondria dan masuk ke dalam siklus Krebs

Asam lemak akan berikatan dengan gliserofosfat untuk membentuk triacilgliserol

4/12/2016


57

 TG untuk energi : - Hidrolisis TG  asam lemak dan gliserol - Transport ke jaringan  oksidasi - Gliserol  gliserol 3-fosfat  ke jalur glikolitik  Tahapan : - Transport as. lemak ke dalam mitokondria  carrier karnitin - Oksidasi beta  as. lemak menjadi asetil koA - Oksidasi asetil koA di dalam siklus Krebs - Hasil akhir 146 molekul ATP

4/12/2016


58

Lipolisis

4/12/2016


59

Lipolisis

4/12/2016


60

 Benda2 keton : - As. asetoasetat (as. keto) - As. -hidroksibutirat - Aseton

Bila   ketosis

meningkat pada keadaan kelaparan, diabetes

4/12/2016


61

4/12/2016


62

Pembentukan TG dari Karbohidrat  Bersifat ireversibel  Dimulai dengan proses glikolisis  Konversi KH menjadi asetil koA  Sitrat ditransport ke sitosol  Peran insulin

4/12/2016


63

Protein

Asam amino merupakan hasil akhir dari pencernaan protein 4/12/2016


64

MATT HILL PV Methionin Arginin Tryptophan Treonine Histidin Isoleusin Lysin Leusin Phenylalanin Valine

4/12/2016


65

4/12/2016


66

Metabolisme Protein 1.

Anabolisme  sintesis protein

2.

Katabolisme Kelompok amin akan dihilangkan dari asam amino dan akan membentuk asam keto yang kemudian dapat dikatabolisme dengan menghasilkan energi yang kemudian dipindahkan ke ATP atau dapat disintesa menjadi asam lemak

4/12/2016


67

General Protein metabolism pathway

4/12/2016


68

Katabolisme Protein Kelompok amin akan dihilangkan dari asam amino dengan cara :  Oksidasi deaminasi, dimana akan menghasilkan amonia. Amonia yang terbentuk akan diubah menjadi urea di hati dan akan dikeluarkan melalui ginjal  Transaminasi, dimana kelompok amin akan dipindahkan ke asam keto dan membentuk asam amino baru

4/12/2016


69

Deaminasi dan Transaminasi

4/12/2016


70

Katabolisme Protein - As. amino bebas di simpan dalam bentuk protein selular, dan akan mengalami katabolisme di sebagian besar jaringan terutama di mukosa usus, hati, otot skelet, ginjal dan otak. - Lysin dan Leusin membentuk produk antara non glukoneogenik

- Proses katabolisme protein terutama akan melepas sisi/gugus amino  α-keto acids  oksidasi  CO2

Pembentukan ATP Sintesa glukosa dan lipid

- Protein selular  asam amino oleh enzim: lisosom intraselular - Pengecualian: protein dalam kromosom nukleus dan protein struktural (kolagen dan kontraktil) 4/12/2016


71

Asam amino di hati mengalami deaminasi pelepasan gugus amin dan pembentukan keto-analog  masuk jalur metabolisme karbohidrat

4/12/2016


72

Oksidasi dan deaminasi asam amino - Hasil deaminasi : asam -keto siklus Krebs  oksidasi  energi Pembentukan ureum oleh hati - Deaminasi  amonia (NH3)  ureum - NH3 yang terlepas akan diubah jadi ureum dan diekskresikan (pada mamalia) - Pada reptil & unggas

NH3 diubah jadi as. urat

- Hewan-hewan akuatic ekses nitrogen diekskresi dalam bentuk ion ammonium

4/12/2016


73

Pembentukan dan ekskresi urea : merupakan produksi buangan N yang utama dari katabolisme protein

4/12/2016


74

Metabolisme Protein di Hati

4/12/2016


75

Komponen bahan bakar metabolik utama: • Glukosa (tersimpan dalam bentuk glikogen, di hati dan otot) • Asam amino (tersimpan dalam bentuk protein otot) • Asam lemak (3 asam lemak + 1 gliserol dalam ikatan ester, tersimpan dalam bentuk TG di jar. lemak) • Badan keton: aseton, aseto asetat, • -hidroksibutirat (dari asam lemak) 4/12/2016


76

Tahap Fungsional Pada Pengaturan Metabolisme 1.

2.

Tahap Absorbsi : Tahap dimana nutrien berasal dari saluran pencernaan masuk ke dalam aliran darah Tahap Post-absorbsi : Tahap dimana saluran pencernaan kosong dari nutrien sehingga energi diambil dari gudang penyimpanan

4/12/2016


77

KEBUTUHAN NUTRIEN PADA TAHAP ABSORBSI

4/12/2016


78









Selama tahap absorbsi, hati mengambil glukosa dan merubah menjadi glikogen serta trigliserida

Transportasi asam lemak ke luar sel sebagai Very Low Density Lipoprotein (VLDL) Sirkulasi asam amino dalam darah diatur oleh hati Nasib asam amino setelah berada dalam hati : 1. 2.

4/12/2016

Digunakan untuk sintesa protein Diubah ke dalam bentuk karbohidrat analog dan masuk ke siklus krebs MATERI AJAR FISIOLOGI VETERINER II (METABOLISME)

79

Pengaruh makanan terhadap pengeluaran insulin dan glukagon

Karbohidrat Protein

4/12/2016

Insulin + +


Glukagon +

80

Kebutuhan Nutrien Pada Tahap Post-absorbsi

4/12/2016


81

Fase Postabsorptif • Glukagon, Insulin ↓ • Hormone-sensitive lipase (HSL)   pelepasan asam lemak dari jaringan lemak • HSL aktif krn sekresi insulin menurun saat post absorbtif (Insulin merangsang defosforilasi) dan katekolamin • Hasil akhir: Asam lemak bebas (NEFA)

4/12/2016


82

4/12/2016


83

Asam amino asal otot sebagai sumber glukosa BCAA: Branch-Chain Amino Acid (Valine, Leucine, Isoleucine)

4/12/2016


84

4/12/2016


85

Sumber glukosa darah : 1. 2.

Glikogenolisis ( pemecahan glikogen) Glukoneogenesis (pembentukan glukosa dari lemak dan protein)

SUMBER ENERGI SELAMA KEKURANGAN MAKANAN : asam lemak, trigliserida dan badan keton

4/12/2016


86

Pada Kondisi Kelaparan/Puasa - Mobilisasi cepat NEFAs • Oksidasi

ke hati untuk produksi enetgi

• Esterifikasi produksi TG • Produksi badan keton

Di mitokondria hati + carnitine Bergantung keberadaan enzim : CPT 1 (carnitine palmitoyl transferase I)

Dihambat oleh malonyl CoA 4/12/2016


87

4/12/2016


88

Starvasi: 1. Fase 1 • Penurunan LMB • Sumber glukosa berasal dari glikogen hati (habis dalam hitungan jam) • Sumber energi berikutnya: katabolisme lemak (asam lemak dan gliserol) dan asam amino  Glukosa • Pembentukan badan keton 2. Fase 2 • Setelah 1 – 2 minggu otak dan jaringan lainnya menggunakan glukosa dan badan keton • Sumber energy utama dari lemak

4/12/2016


90

Starvasi: Fase 3 • Protein sebagai sumber energy utama (Hati, Protein Plasma, lalu Protein di GI tract, hati dan otot rangka) • ↓ fungsi dan ukuran organ • ↓ protein plasma  ↓ tekanan onkotik  ascites

4/12/2016


91

RUMINANSIA • Suplai glukosa dari glukoneogenesis (VFA propionate  suksinat  oksaloasetat  siklus Krebs) • Asetat dan butirat  asetil ko-A  siklus Krebs  tidak dapat membentuk oksaloasetat atau glukosa

4/12/2016


92

4/12/2016


95

Pengaturan Sistim Endokrin Dan Saraf Pada Tahap Absorbsi Dan Post-absorbsi

1. Insulin 





Merupakan asam amino dan disekresikan oleh pankreas sel β

Plasma gukosa meningkat akan merangsang sekresi insulin Aksi Insulin : 1.

2.

4/12/2016

Meningkatkan kemampuan membran untuk memindahkan glukosa Meningkatkan fungsi enzim MATERI AJAR FISIOLOGI VETERINER II (METABOLISME)

96

Pengaruh Insulin terhadap metabolisme karbohidrat : 

Stimulasi pengambilan glukosa oleh sel (T)



Stimulasi glikolisis (E)



Stimulasi sintesa glikogen (E)



Inhibisi katabolisme glikogen (E)



Inhibisi glukoneogenesis (E) Hasilnya : 

Penurunan konsentrasi plasma glukosa, peningkatan penyimpanan glikogen



Peningkatan pengambilan glukosa dibandingkan pelepasan glukosa dari hati

4/12/2016


97

Pengaruh Insulin terhadap metabolisme lemak : 

Stimulasi sintesa triacylglycerol (E)



Inhibisi katabolisme triacylglycerol (E)



Stimulasi lipoprotein lipase pada sel endotel (E)

Hasilnya : 



Penurunan konsentrasi plasma gliserol dan asam lemak bebas Peningkatan penyimpananlemak dan penurunan penggunaan lemak untuk energi

4/12/2016


98

4/12/2016


99

2. Glukagon 



Merupakan asam amino dan disekresikan oleh pankreas sel α Kontrol sekresi glukagon : Plasma glukosa rendah

1.

Plasma asam amino tinggi

2.

Syaraf simpatis dan sirkulasi epinefrin

3.

Syaraf parasimpatis

4.

Beberapa hormon lain (GH, kortisol dll)

5.

4/12/2016


100

4/12/2016


101

4/12/2016


102

3. Epinefrin dan syaraf simpatis ke hati dan jaringan lemak Plasma Glukosa Reflex melalui reseptor glukosa pada otak

Adrenal medula

Sekresi Epinefrin

Aktivitas saraf simpatis menuju jaringan lemak dan hati

Plasma Epinefrin Otot Rangka

Glikogenolisis Asupan Glukosa

Hati

Glikogenolisis Glukoneogenesis

Jaringan lemak

Lipolisis

Plasma Glukosa, asam lemak, gliserol

4/12/2016


104

4. Kortisol Efek kortisol terhadap metabolisme : 1.

2.

Konsentrasi basal merupakan stimulasi untuk glukoneogenesis dan lipolisis pada tahap postabsorbsi Peningkatan konsentrasi akan menyebabkan : a.

Peningkatan protein katabolisme

b.

Peningkatan glukoneogenesis

c.

Penurunan pengambilan glukosa oleh sel

d.

Peningkatan pemecahan triacylglserol

Hasilnya : Peningkatan konsentrasi plasma asam amino, glukosa dan asam lemak bebas 4/12/2016


105

4/12/2016


106

5. Hormon Pertumbuhan Fungsinya : 1.

Stimulasi lipolisis pada jaringan adiposa

2.

Peningkatan glukoneogenesis oleh hati

3.

Penurunan pengambilan glukosa oleh jaringan

4/12/2016


107

PENGATURAN GLUKOSA Glukagon

Epinefrin

Glikogenolisis

X

X

Glukoneogenesis

X

Lipolisis

X

Penahanan ambilan glukosa

4/12/2016

Kortisol

GH

X

X

X

X

X

X

X

X

X


109

4/12/2016


111

4/12/2016


112

2016 MATERI AJAR FISIOLOGI VETERINER II (METABOLISME) 1

Recommend Documents