Pengenalan

Karbohidrat merupakan komponen utama dalam sistem fisiologi. Sebatian organik ini terdiri daripada karbon, hidrogen dan oksigen [(CxH2O)y]n, bersama-sama dengan protein dan lipid berperanan untuk menjana tenaga dan  menyumbang dalam pembentukan struktur organisma. Kompleks karbohidrat yang dicerna menjadi gula ringkas terutamanya glukosa digunakan sebagai sumber tenaga atau disimpan sebagai glikogen. Heksosa (karbohidrat mengandungi enam karbon) yang penting dalam diet adalah D-glukosa,D-galaktosa dan D-fruktosa tetapi gula yang beredar dalam  sistem aliran darah adalah glukosa. Laktosa (glukosa dan galaktosa) dan sukrosa (glukosa dan fruktosa) adalah disakarida yang penting. Karbohidrat diperlukan untuk fungsi sel tertentu (seperti  ribosa dalam asid nukleik), berupaya mengubah  protein dan  fungsi protein menerusi glikosilasi.

Metabolisme Karbohidrat

Glikolisis

Glikolisis merupakan proses degradasi glukosa kepada laktat secara anaerobik yang berlaku dalam semua sel manusia.  Dalam proses ini, satu molekul glukosa dengan ketiadaan oksigen akan menghasilkan dua mol ATP. Bagi sel yang mengandungi mitokondria, produk akhir glikolisis dengan kehadiran oksigen adalah piruvat. Tindakbalas enzim-enzim dalam mitokondria menyebabkan piruvat seterusnya  dioksidakan menjadi air dan karbon dioksida.

Metabolisme glukosa berbeza-beza dalam pelbagai sel. Dalam sel darah merah, selepas glukosa menembusi membran plasma, metabolisma terutamanya glikolisis akan berlaku. Oleh kerana sel darah merah kekurangan mitokondria, laktat akan dirembes ke dalam aliran darah. Glukosa digunakan oleh laluan pentosa fosfat dalam sel-sel darah merah menghasilkan NADPH untuk memastikan glutation dalam fasa menurun, yang berperanan penting untuk memusnahkan peroksida organik. Peroksida membawa kerosakan yang kekal kepada membran, DNA dan lain-lain komponen sel.

Tisu otak amat memerlukan glukosa dan ia diproses melalui glikolisis. Piruvat yang dihasilkan kemudian dioksidakan kepada CO2 dan H2O dalam mitokondria. Laluan pentosa fosfat dalam sel-sel ini menjana NADPH yang diperlukan untuk sintesis penurunan dan memelihara glutation supaya berada dalam fasa menurun.

Otot dan sel-sel jantung sentiasa bersedia menggunakan glukosa. Insulin merangsang pengangkutan glukosa oleh protein pengangkut glukosa ke dalam sel-sel ini. Di dalam sel, glukosa ditukar kepada piruvat melalui glikolisis yang seterusnya digunakan oleh kompleks piruvat dehidrogenase dan kitar TCA untuk  menghasilkan  ATP. Otot dan sel jantung  mampu mensintesis  glikogen.

Tisu adipos juga mengambil glukosa menggunakan protein pengangkut glukosa melalui mekanisme bergantung insulin. Piruvat yang dihasilkan oleh glikolisis, dioksidakan oleh kompleks piruvat dehidrogenase menjadi asetil coA. Asetil coA akan digunakan terutamanya untuk sintesis asid lemak secara de novo.

Hati mempunyai sejumlah besar cara untuk menggunakan glukosa. Pengambilan glukosa oleh hati terjadi dengan tidak bergantung kepada insulin iaitu diangkut oleh protein pengangkut glukosa berkapasiti tinggi dan berafiniti rendah. Glukosa digunakan oleh laluan pentosa fosfat untuk menghasilkan NADPH yang sangat penting untuk sintesis-sintesis penurunan, memelihara glutation dalam fasa menurun dan tindakbalas-tindakbalas ini dimangkinkan oleh  sistem enzim  dalam retikulum endoplasma. Laluan pentosa fosfat menghasilkan ribosa fosfat yang diperlukan untuk mensintesis  nukleotida seperti ATP, DNA dan RNA. Glukosa  juga digunakan untuk mensintesis glikogen. Dalam laluan asid glukuronik, glukosa  boleh digunakan untuk detoksifikasi ubat  dan bilirubin. Dalam hati, glikolisis berlaku dan piruvat yang dihasilkan menjadi sumber pembentukan asetil CoA  untuk oksidasi lengkap dalam Kitar TCA dan sintesis lemak melalui sintesis asid lemak secara de novo. Hati mempunyai kapasiti untuk menukar prekursor tiga karbon seperti laktat, piruvat, gliserol dan alanin kepada glukosa melalui proses glukoneogenesis untuk memenuhi keperluan glukosa sel-sel lain.

Glikolisis berlaku dalam tiga fasa. Fasa pertama melibatkan kemasukan dua molekul ATP dan penukaran glukosa kepada molekul fruktosa 1,6 bisfosfat yang dimangkinkan oleh heksokinase. Fasa pemecahan melibatkan enzim fruktosa 1,6-bifosfat aldolase  yang memangkinkan penukaran fruktosa-1,6-bifosfat  menjadi dua molekul gliseraldehid 3-fosfat. Pada fasa pengoksidaan-penurunan dan pemfosfatan, dua molekul gliseraldehid 3-fosfat ditukar menjadi dua molekul laktat bersama  empat molekul ATP. Keseluruhan proses glikolisis, satu molekul glukosa menghasilkan dua molekul  laktat dan dua molekul ATP.

Glukoneogenesis

Pembentukan atau sintesis bersih glukosa dari berbagai substrat dipanggil glukoneogenesis. Sintesis termasuk dari pelbagai asid amino, laktat, piruvat, propionat dan gliserol. Glukosa turut disintesis dari galaktosa dan fruktosa. Dua kitaran yang penting didalam glukoneogenesis adalah Kitar Cori dan kitar alanin. Kitar-kitar ini hanya terdapat didalam hati dan tisu-tisu yang tidak mengoksidakan glukosa sepenuhnya kepada CO2 dan H2O. Tisu periferi mengeluarkan samada alanin atau laktat sebagai hasil akhir metabolisme glukosa. Perbezaan antara kitar Cori dan kitar alanin terdapat pada karbon perantara yang dikitar semula. Dalam kitar Cori, karbon kembali menjadi laktat sementara dalam kitar alanin, ia kembali menjadi alanin.

Kitar Cori hanya menghasilkan dua molekul ATP dari setiap molekul glukosa tetapi enam molekul ATP diperlukan untuk menghasilkan tenaga bagi sintesis glukosa di hati. Tisu periferi memerlukan oksigen dan mitokondria untuk memasuki kitar alanin. Kitar alanin memindahkan tenaga ke tisu periferi kerana kitar ini menghasilkan enam hingga lapan molekul ATP dari setiap molekul glukosa. Keterlibatan alanin dalan kitaran menjadikan amino nitrogen wujud dalam hati yang seterusnya akan disingkir sebagai urea.

Glukosa disintesis dari rantaian karbon asid-asid amino, kecuali leusin dan lisin. Asid-asid amino (selain leusin dan lisin) tergolong sebagai glukogenik atau kedua-dua glukogenik dan ketogenik   berupaya meningkatkan sintesis piruvat atau oksaloasetat. Oksaloasetat adalah molekul perantara glukoneogenesis.

Glukosa juga dapat disintesis dari rantaian ganjil asid lemak seperti asid faitanik. Katabolisme dari sebatian seumpama itu menghasilkan propionat iaitu prekursor glukoneogenesis yang membentuk oksaloasetat. Triasilgliserol terdiri daripada tiga kumpulan O-asil dengan satu molekul gliserol. Hidrolisis triasilgliserol menghasilkan tiga asid lemak dan gliserol, yang merupakan substrat untuk glukoneogenesis.

Glukosa juga disintesis dari gula lain seperti fruktosa, galaktosa dan mannosa. Dalam hati, fruktosa difosforilasikan oleh ATP bersambung kinase menghasilkan fruktosa 1-fosfat yang akan dipecahkan pula oleh enzim aldolase lalu menghasilkan satu molekul dihidroksiaseton fosfat dan satu gliseraldehid. Dihidroksiaseton fosfat boleh diubah kepada glukosa, piruvat atau laktat.

Gula susu atau laktosa adalah sumber penting galaktosa dalam diet seseorang. UDP-glukosa menjadi perantara kitar semula dalam keseluruhan proses penukaran galaktosa kepada glukosa.

Glikogenolisis dan glikogenesis

Glikogegenolisis merujuk kepada pemecahan glikogen menjadi glukosa atau glukosa 6-fosfat. Simpanan glikogen di otot dan jantung mempunyai fungsi yang berbeza. Dalam otot, glikogen menjadi  sumber bekalan   untuk mensintesis ATP, sementara di hati, glikogen  berfungsi sebagai simpanan glukosa  yang menjaga kepekatan glukosa darah.

Glikogenesis merujuk kepada sintesis glikogen. Di hati, tindakbalas pertama glikogenesis dimangkinkan oleh enzim glukokinase dan di tisu periferi pula oleh enzim heksokinase. Glikogenesis hati menyumbang kepada penurunan paras glukosa dalam darah.
Hormon yang paling penting dalam pengawalan kepekatan glukosa dalam plasma darah adalah insulin. Insulin yang terikat pada reseptor spesifik pada permukaan sel dalam tisu adipos dan otot, meningkatkan kadar kemasukan glukosa ke dalam sel-sel ini. Kepekatan glukosa intraselular akan sentiasa rendah oleh tindakan enzim-enzim rangsangan insulin yang mendorong pembentukan glikogen di hati dan otot. Insulin juga merencat glukoneogenesis dari lemak dan asid amino. Perembesan glukagon merangsang hipoglisemia, meningkatkan glikogenolisis dan glukoneogenesis di hati.

Penyakit-Penyakit Metabolisme Karbohidrat

1. Tak toleransi fruktosa

   Tidak toleransi fruktosa merupakan penyakit keturunan yang disebabkan oleh kekurangan aldolase hati yang bertanggungjawab untuk memecahkan fruktosa 1-fosfat kepada dihidroksiaseton fosfat dan gliseraldehid.

2. Diabetes Mellitus

   Diabetes mellitus adalah kecelaruan metabolisme karbohidrat yang paling kerap terjadi. Ia terdiri daripada kelompok heterogen penyakit-penyakit metabolik dengan ciri-ciri hiperglisemia kronik, gangguan dalam metabolisme karbohidrat, lipid dan protein yang berpunca dari kecacatan dalam penghasilan insulin dan/atau tindakan insulin.  Hiperglisemia puasa (kronik) dan postprandial adalah punca utama kepada komplikasi akut, singkat dan lewat yang mempengaruhi seluruh organ dan sistem tubuh. Pesakit diabetik mengalami kekurangan dalam pengeluaran insulin (diabetes Jenis I) dan kekurangan tindakbalas sel terhadap insulin (rintang insulin dalam Diabetes Jenis II). Kurangnya kawalan insulin menyebabkan pesakit diabetes berada dalam keadaan separa kebuluran, seterusnya meningkatkan kebergantungan kepada trigliserid sebagai sumber tenaga dan protein sebagai sumber glukosa.

3. Laktik asidosis

   Penyakit ini dicirikan dengan peningkatan aras laktat (melebihi 5 mmol /L), pH dan kepekatan bikarbonat dalam darah yang rendah. Seluruh tisu tubuh mempunyai kemampuan untuk menghasilkan laktat secara glikolisis tetapi dalam jumlah yang sedikit kerana lebih banyak ATP boleh diperolehi dari oksidasi lengkap piruvat. Semua tisu bertindakbalas semasa kekurangan oksigen dengan meningkatkan pembentukan laktat contohnya ketika kejang dan penyakit berkaitan kegagalan sistem peredaran darah dan paru-paru. Pengurangan ATP akibat penurunan fosforilasi oksidatif menyebabkan aktiviti 6-fosfofrukto-1-kinase meningkat. Tisu-tisu ini terpaksa bergantung kepada glikolisis anaerobik untuk menjana ATP dan menyebabkan pembentukan asid laktik yang berlebihan.

4. Hipoglisemia dan bayi pramatang

   Bayi pramatang dan bayi SGA (small for gestational age) dipercayai mudah mendapat hipoglisemia berbanding bayi normal kerana mempunyai simpanan glikogen yang sedikit. Puasa menjadikan bayi-bayi ini menghabiskan simpanan glikogen dengan pantas dan menyebabkan mereka semakin bergantung kepada glukoneogenesis.

5. Penyakit simpanan glikogen

   Penyakit simpanan glikogen yang biasa berlaku adalah Jenis I atau penyakit von Gierke’s iaitu sejenis ketaknormalan genetik yang disebabkan oleh kekurangan enzim glukosa 6-fosfatase dihati, mukosa usus dan buah pinggang.

6. Kekurangan enzim Glukosa 6-fosfat dehidrogenase (G6PD)

   Glukosa 6-fosfat dehidrogenase memangkinkan pengoksidaan glukosa 6-fosfat kepada 6-fosfoglukonat dan penurunan NADP⁺. Sel-sel yang kekurangan G6PD tidak dapat menurunkan NADP yang cukup untuk mengekalkan glutation dalam fasa menurun. Penurunan glutation adalah penting untuk menjaga integriti membran sel darah merah.

7. Galaktosemia

   Galaktosemia adalah kecacatan genetik yang disebabkan oleh kekurangan enzim galaktokinase atau galaktosa 1-fosfat uridil transferase yang membuat seseorang itu tidak boleh memetabolismekan galaktosa yang berpunca dari laktosa kepada glukosa. .

Rujukan

1. Thomas M. Devlin. (1997). Carbohydrates Metabolism, Textbook of Biochemistry with clinical correlations. 4th edition. Wiley-Liss.
2. Philip D. Mayne . (1994). Carbohydrates Metabolism . Clinical Chemistry in diagnosis and treatment, 6th edition (196-222), Arnold, London.
3. Halimah Abdullah Sani (1989) Metabolisme Karbohidrat . Biokimia klinik, Gangguan Metabolisme Karbohidrat (1-10). Dewan Bahasa dan Pustaka, Kuala Lumpur