Glukosa — struktur, fungsi, pemecahan, transpor

Glukosa adalah monosakarida dan merupakan salah satu karbohidrat terpenting dalam biologi. Sel-sel menggunakan glukosa sebagai sumber energi dan perantara metabolisme. Glukosa adalah salah satu produk utama fotosintesis dan memulai respirasi seluler pada makhluk prokariotik dan eukariotik.

Glukosa adalah kristal padat dengan rasa manis, dari rumus molekul C6H12O6, yang ditemukan di alam dalam bentuk bebas atau gabungan. Bersama dengan fruktosa dan galaktosa, glukosa adalah karbohidrat mendasar dari karbohidrat yang lebih besar, seperti sukrosa, laktosa dan maltosa. Pati dan selulosa adalah polimer glukosa.

Dalam metabolisme, glukosa adalah salah satu sumber energi utama dan menyediakan 4 kalori energi per gram. Glukosa yang terhidrasi (seperti dalam glukosa) menghasilkan 3,4 kalori per gram. Degradasinya kimianya selama proses respirasi sel menimbulkan energi kimia (disimpan dalam molekul ATP – 36 atau 38 molekul (tergantung pada sel) ATP oleh molekul glukosa), karbon dioksida dan air.

Karena memiliki 6 atom karbon, glukosa diklasifikasikan sebagai heksosa, subkategori monosakarida. D-Glukosa adalah salah satu dari 16 stereoisomer aldoheksosa, juga dikenal sebagai dekstrosa yang terjadi secara melimpah di alam, berbeda dengan isomer L-Glukosanya. Di kita glukosa umumnya terbuat dari tebu.

Pada tahun 1747, Andreas Sigismund Marggraf adalah orang pertama yang mengisolasi glukosa.

Pengertian Glukosa

Glukosa adalah struktur 6-karbon dengan rumus kimia C6H12O6. Ini adalah sumber energi di mana-mana untuk setiap organisme di dunia dan sangat penting untuk bahan bakar respirasi seluler aerob dan anaerob.

Glukosa sering memasuki tubuh dalam bentuk isometrik seperti galaktosa dan fruktosa (monosakarida), laktosa dan sukrosa (disakarida), atau pati (polisakarida).

Tubuh kita menyimpan kelebihan glukosa sebagai glikogen (polimer glukosa) yang menjadi terbebaskan pada saat puasa. Glukosa juga berasal dari produk lemak dan protein yang diuraikan melalui proses glukoneogenesis. Mengingat betapa pentingnya glukosa untuk homeostasis, tidak mengherankan bahwa ada banyak sumber untuk itu.

Setelah glukosa masuk ke dalam tubuh, ia akan bergerak melalui darah dan ke jaringan yang membutuhkan energi. Di sana, glukosa dipecah dalam serangkaian reaksi biokimia melepaskan energi dalam bentuk ATP.

ATP yang berasal dari proses ini digunakan untuk mengisi hampir setiap proses yang membutuhkan energi dalam tubuh. Pada eukariota, sebagian besar energi berasal dari proses aerob (membutuhkan oksigen) yang dimulai dengan molekul glukosa.

Glukosa dipecah pertama melalui proses glikolisis anaerob, yang mengarah ke produksi beberapa produk akhir ATP dan piruvat. Dalam kondisi anaerob, piruvat berubah menjadi laktat melalui reduksi.

Dalam kondisi aerob, piruvat dapat memasuki siklus asam sitrat untuk menghasilkan pembawa elektron yang kaya energi yang membantu menghasilkan ATP pada rantai transpor elektron (ETC).

Struktur

Glukosa (C6H12O6) mengandung enam atom karbon dan gugus aldehida dan karenanya disebut sebagai aldoheksosa. Molekul glukosa dapat ada dalam bentuk rantai terbuka (asiklik) dan cincin (siklik) (dalam kesetimbangan), yang belakangan merupakan hasil dari reaksi intramolekul antara atom C aldehida dan gugus hidroksil C-5 untuk membentuk suatu hemiasetal intramolekul. Dalam larutan air, kedua bentuk tersebut berada dalam kesetimbangan, dan pada pH 7 bentuk siklik lebih dominan. Karena cincin itu mengandung lima atom karbon dan satu atom oksigen, yang menyerupai struktur pir, bentuk siklik glukosa juga disebut sebagai glukopiranosa. Pada cincin ini, setiap karbon melekat pada gugus hidroksil samping dengan pengecualian atom kelima, yang berikatan dengan atom karbon keenam di luar cincin, membentuk gugus CH2OH.

Struktur Glukosa

Fungsi

fungsi glukosa

Nama Glukosa berasal dari bahasa Yunani (γλυκύς), yang berarti “manis”, ditambah akhiran -osa, yang menunjukkan gula. Glukosa berfungsi sebagai regulator energi berpartisipasi dalam jalur metabolisme, serta menjadi pendahulu molekul penting lainnya.

Glukosa adalah karbohidrat penting yang digunakan oleh sel untuk produksi energi dalam proses yang dikenal sebagai respirasi sel. Dalam proses ini, glukosa terdegradasi, dan energi dihasilkan untuk sel. Persamaan yang merangkum respirasi seluler adalah: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + Energi (ATP + panas)

Selain digunakan dalam produksi energi, karena merupakan monosakarida, glukosa digunakan dalam produksi karbohidrat yang lebih kompleks, seperti:

  • Disakarida: karbohidrat yang dibentuk oleh dua monosakarida. Sebagai contoh, kita dapat menyebutkan maltosa, yang dibentuk oleh dua molekul glukosa, dan laktosa, yang dibentuk oleh molekul glukosa dan molekul galaktosa.
  • Polisakarida: makromolekul yang dibentuk oleh ratusan hingga ribuan monosakarida. Sebagai contoh polisakarida, kita dapat menyebutkan pati, yang berfungsi sebagai cadangan energi dalam sayuran, dan glikogen, yang berfungsi sebagai cadangan pada hewan. Ketika tubuh membutuhkan glukosa, glikogen rusak dan, akibatnya, kadar gula darah meningkat.

Pemecahan Glukosa (Glikolisis)

Glikolisis, istilah yang berarti “gula split”, adalah suatu proses di mana oksidasi glukosa tidak lengkap terjadi. Proses ini terjadi di sitoplasma dan ditandai oleh pemecahan glukosa (molekul yang dibentuk oleh enam karbon) dan pembentukan dua molekul piruvat (molekul dengan tiga karbon).

Dalam glikolisis, ada sepuluh reaksi berbeda, yang dapat dikelompokkan dalam dua tahap:

  • Investasi energi: pada tahap ini, seperti namanya, sel akan menghabiskan ATP (adenosin trifosfat), sebuah molekul yang melepaskan sejumlah besar energi bebas. Secara total, dua molekul ATP akan dihabiskan untuk investasi energi.
  • Kompensasi energi: pada tahap ini, energi yang dihabiskan akan dikompensasi. Empat molekul ATP akan diproduksi. Seperti dalam fase investasi energi yang dihabiskan dua molekul, kami mengatakan bahwa hasil bersih akhir glikolisis adalah dua molekul ATP per molekul glukosa.

Perlu dicatat bahwa glikolisis adalah proses yang dapat terjadi baik di hadapan maupun tidak adanya oksigen. Ketika di hadapan oksigen, piruvat yang diproduksi dalam glikolisis akan diubah menjadi asetil-KoA dan akan melanjutkan proses respirasi sel. Ketika tanpa oksigen, piruvat akan diubah menjadi etanol atau laktat.

Transpor glukosa

Untuk memasuki sel, glukosa perlu melewati membran plasma. Tidak seperti beberapa zat, berat molekul glukosa mencegah jalannya ke dalam sel melalui difusi sederhana.

Glukosa, dalam banyak kasus, memasuki sel melalui proses difusi yang lebih mudah. Dalam hal ini, kita memiliki transportasi yang mendukung gradien konsentrasi yang terjadi berkat keberadaan protein pembawa yang disebut GLUT. Panggilannya adalah protein transporter GLUT4 yang sensitif terhadap insulin, hormon yang meningkatkan kapasitas transpor glukosa ke dalam sel dan bertindak terutama dalam otot dan jaringan adiposa.

Glukosa juga dapat masuk ke dalam sel melalui suatu transpor yang digabungkan dengan ion natrium. Pengangkutan ini terjadi dalam sel-sel dari usus halus dan tubulus ginjal dan terjadi terhadap gradien konsentrasi glukosa dan mendukung gradien konsentrasi natrium.

Simpanan Glukosa

Cadangan glukosa disimpan sebagai glikogen polimer pada manusia. Glikogen hadir dalam konsentrasi tertinggi di hati dan jaringan otot.

Regulasi glikogen, dan dengan demikian glukosa, dikendalikan terutama melalui hormon peptida, insulin dan glukagon. Kedua hormon ini diproduksi di Pulau pankreas Langerhans, glukagon dari sel alpha dan insulin dari sel beta.

Ada keseimbangan antara dua hormon ini tergantung pada keadaan metabolisme tubuh (puasa atau kaya energi), dengan insulin dalam konsentrasi yang lebih tinggi selama keadaan kaya energi dan glukagon selama puasa. Melalui proses pensinyalan kaskade yang diatur oleh hormon-hormon ini, glikogen adalah glukosa pembebas katabolisasi (dipromosikan oleh glukagon pada saat puasa) atau disintesis lebih lanjut mengonsumsi kelebihan glukosa (dipromosikan oleh insulin pada saat kaya energi).

Insulin dan glukagon (di antara hormon-hormon lain) juga mengontrol transpor glukosa masuk dan keluar sel dengan mengubah ekspresi satu jenis transporter glukosa, GLUT4.

Transporter glukosa

Ada beberapa jenis transporter glukosa dalam tubuh manusia dengan ekspresi diferensial yang bervariasi berdasarkan jenis jaringan. Transporter ini dibedakan menjadi dua kategori utama: transporter bergantung-natrium (SGLT) dan transporter independen-natrium (GLUT).

Transporter yang bergantung pada natrium bergantung pada transpor aktif natrium melintasi membran sel, yang kemudian berdifusi ke bawah gradien konsentrasinya bersama dengan molekul glukosa (transpor aktif sekunder).

Transporter natrium-independen tidak bergantung pada natrium dan glukosa transpor menggunakan difusi yang difasilitasi. Dari transporter natrium-independen, hanya ekspresi GLUT4 yang dipengaruhi oleh insulin dan glukagon. Di bawah ini tercantum kelas transporter glukosa yang paling penting dan karakteristiknya.

  • SGLT: ditemukan terutama di tubulus ginjal dan epitel usus, SGLT masing-masing penting untuk reabsorpsi dan penyerapan glukosa. Transporter ini bekerja melalui transpor aktif sekunder karena ATP membutuhkan untuk secara aktif memompa natrium keluar dari sel dan ke dalam lumen yang kemudian memfasilitasi cotransport glukosa ketika natrium secara pasif bergerak melintasi dinding sel melalui gradien konsentrasinya.
  • GLUT1: ditemukan terutama di sel beta pankreas, sel darah merah, dan hepatosit. Transporter dua arah ini sangat penting untuk penginderaan glukosa oleh pankreas, aspek penting dari mekanisme umpan balik dalam mengendalikan glukosa darah dengan insulin endogen.
  • GLUT2: ditemukan terutama pada hepatosit, sel beta pankreas, epitel usus, dan sel tubular ginjal. Transporter dua arah ini penting untuk mengatur metabolisme glukosa di hati.
  • GLUT3: ditemukan terutama di SSP. Transporter ini memiliki afinitas yang sangat tinggi terhadap glukosa, yang konsisten dengan tuntutan metabolisme otak yang tinggi.
  • GLUT4: ditemukan terutama pada otot rangka, otot jantung, jaringan adiposa, dan jaringan otak. Transporter ini disimpan dalam vesikel sitoplasma (tidak aktif) yang akan bergabung dengan membran sel ketika distimulasi oleh insulin. Transporter ini akan mengalami peningkatan kepadatan 10 hingga 20 kali lipat pada saat energi berlebih pada saat pelepasan insulin dengan efek bersih dari penurunan glukosa darah (glukosa akan lebih mudah memasuki sel-sel yang memiliki GLUT4 pada permukaannya).

Sistem Organ Terlibat

Glukosa memiliki peran vital dalam setiap sistem organ. Namun, ada organ tertentu yang memainkan peran penting dalam regulasi glukosa.

Hati

Hati adalah organ penting untuk menjaga kadar glukosa darah yang tepat. Glikogen, polisakarida glukosa multibranched pada manusia, adalah bagaimana glukosa disimpan oleh tubuh dan sebagian besar ditemukan di hati dan otot rangka.

Coba pikirkan glikogen sebagai penyimpanan glukosa jangka pendek tubuh (sementara trigliserida dalam jaringan adiposa berfungsi sebagai penyimpanan jangka panjang). Glukosa dibebaskan dari glikogen di bawah pengaruh glukagon dan kondisi puasa, meningkatkan glukosa darah. Glukosa ditambahkan ke glikogen di bawah kendali insulin dan kondisi yang kaya energi, menurunkan glukosa darah.

Pankreas

Pankreas melepaskan hormon yang terutama bertanggung jawab untuk mengendalikan kadar glukosa darah. Melalui peningkatan konsentrasi glukosa dalam sel beta, pelepasan insulin terjadi, yang pada gilirannya bertindak untuk menurunkan glukosa darah melalui beberapa mekanisme yang dirinci di bawah ini.

Melalui kadar glukosa yang lebih rendah dan kadar insulin yang lebih rendah (secara langsung dipengaruhi oleh kadar glukosa yang rendah), sel-sel alfa pankreas akan melepaskan glukagon yang pada gilirannya bertindak untuk meningkatkan glukosa darah melalui beberapa mekanisme yang dirinci di bawah ini. Somatostatin juga dilepaskan dari sel-sel delta pankreas dan memiliki efek bersih dalam menurunkan kadar glukosa darah.

Kelenjar adrenal

Kelenjar adrenal terbagi menjadi korteks dan medula, yang keduanya berperan dalam homeostasis glukosa. Korteks adrenal melepaskan glukokortikoid yang akan meningkatkan kadar glukosa darah melalui mekanisme yang dijelaskan di bawah ini, kortisol yang paling kuat dan berlimpah. Medula adrenal melepaskan epinefrin, yang juga meningkatkan kadar glukosa darah melalui mekanisme yang dijelaskan di bawah ini.

Kelenjar tiroid

Kelenjar tiroid bertanggung jawab untuk produksi dan pelepasan tiroksin. Tiroksin memiliki efek luas pada hampir setiap jaringan tubuh, salah satunya adalah peningkatan kadar glukosa darah melalui mekanisme yang dijelaskan di bawah ini.

Kelenjar hipofisis anterior

Kelenjar hipofisis anterior bertanggung jawab atas pelepasan bot ACTH dan hormon pertumbuhan, yang meningkatkan kadar glukosa darah melalui mekanisme yang dijelaskan di bawah ini.

Hormon

Ada banyak hormon yang terlibat dengan homeostasis glukosa. Mekanisme di mana mereka bertindak untuk memodulasi glukosa penting; Namun, paling tidak, penting untuk memahami efek bersih masing-masing hormon terhadap kadar glukosa. Satu trik adalah untuk mengingat mana yang menurunkan kadar glukosa: insulin (terutama) dan somatostatin. Yang lain meningkatkan kadar glukosa.

  • Insulin: menurunkan glukosa darah melalui peningkatan ekspresi GLUT4, peningkatan ekspresi glikogen sintase, inaktivasi fosforilase kinase (sehingga mengurangi glukoneogenesis), dan mengurangi ekspresi enzim pembatas laju yang terlibat dalam glukoneogenesis.
  • Glukagon: meningkatkan glukosa darah melalui peningkatan glikogenolisis dan glukoneogenesis.
  • Somatostatin: menurunkan kadar glukosa darah melalui penekanan lokal terhadap pelepasan glukagon dan penekanan gastrin dan hormon tropik hipofisis. Hormon ini juga mengurangi pelepasan insulin; Namun, efek bersihnya adalah penurunan kadar glukosa darah.
  • Kortisol: meningkatkan kadar glukosa darah melalui stimulasi glukoneogenesis dan melalui antagonisme insulin.
  • Epinefrin: meningkatkan kadar glukosa darah melalui glikogenolisis (pembebasan glukosa dari glikogen) dan meningkatkan pelepasan asam lemak dari jaringan adiposa, yang kemudian dapat dikatabolisme dan memasuki glukoneogenesis.
  • Tiroksin: meningkatkan kadar glukosa darah melalui glikogenolisis dan meningkatkan penyerapan dalam usus.
  • Hormon pertumbuhan: mempromosikan glukoneogenesis, menghambat pengambilan glukosa oleh hati, merangsang hormon tiroid, menghambat insulin.
  • ACTH: merangsang pelepasan kortisol dari kelenjar adrenal, menstimulasi pelepasan asam lemak dari jaringan adiposa yang kemudian dapat dimasukkan ke dalam glukoneogenesis.

Patofisiologi

Patologi yang terkait dengan glukosa sering terjadi ketika kadar glukosa darah terlalu tinggi atau terlalu rendah. Di bawah ini adalah ringkasan dari beberapa keadaan patologis yang lebih umum dengan asosiasi untuk perubahan kadar glukosa dan patofisiologi di belakangnya.

Glukosa tinggi (Hiperglikemia):

Hiperglikemia dapat menyebabkan patologi, baik akut maupun kronis. Diabetes mellitus I dan II adalah kondisi penyakit yang ditandai dengan peningkatan kadar glukosa darah kronis yang, seiring waktu dan dengan kontrol glukosa yang buruk, menyebabkan morbiditas yang signifikan.

Kedua kelas diabetes memiliki etiologi multifokal: tipe I dikaitkan dengan faktor genetik, lingkungan, dan imunologi dan paling sering muncul pada pasien anak sedangkan tipe II dikaitkan dengan kondisi komorbiditas seperti obesitas di samping faktor genetik dan lebih cenderung bermanifestasi dalam masa dewasa. Diabetes tipe I dihasilkan dari penghancuran sel beta pankreas dan defisiensi insulin secara autoimun, sedangkan diabetes tipe II terjadi akibat resistensi insulin perifer akibat disfungsi metabolik, biasanya dalam keadaan obesitas. Dalam kedua kasus, hasilnya adalah peningkatan glukosa darah yang tidak tepat, yang menyebabkan patologi oleh berbagai mekanisme:

  • Kerusakan osmotik: glukosa aktif secara osmotik dan dapat menyebabkan kerusakan saraf perifer.
  • Stres oksidatif: glukosa berpartisipasi dalam beberapa reaksi yang menghasilkan produk sampingan oksidatif.
  • Glikasi non-enzimatik: glukosa dapat kompleks dengan residu lisin pada protein yang menyebabkan gangguan struktural dan fungsional.

Mekanisme ini menyebabkan berbagai manifestasi klinis melalui komplikasi mikrovaskuler dan makrovaskuler. Beberapa termasuk neuropati perifer, penyembuhan luka yang buruk / luka kronis, retinopati, penyakit arteri koroner, penyakit pembuluh darah otak, dan penyakit ginjal kronis. Sangat penting untuk memahami mekanisme di balik patologi yang disebabkan oleh peningkatan glukosa.

Gula darah tinggi juga dapat menyebabkan patologi akut, paling sering terlihat pada pasien dengan diabetes tipe II, yang dikenal sebagai keadaan hiperglikemik hiperosmolar. Keadaan ini terjadi ketika ada peningkatan kadar glukosa darah yang sangat tinggi sehingga osmolalitas plasma meningkat. Osmolaritas tinggi menyebabkan diuresis osmotik (buang air kecil berlebihan) dan dehidrasi. Berbagai manifestasi klinis terjadi termasuk perubahan status mental, kelainan motorik, disfungsi SSP global & global, mual, muntah, sakit perut, dan hipotensi ortostatik.

Glukosa rendah (Hipoglikemia):

Hipoglikemia paling sering terlihat secara iatrogenik pada pasien diabetes sekunder akibat obat penurun glukosa. Kondisi ini terjadi, terutama dalam pengaturan rawat inap, dengan gangguan dari diet biasa pasien. Gejalanya tidak spesifik, tetapi temuan klinis seperti hubungan dengan puasa atau olahraga dan perbaikan gejala dengan pemberian glukosa membuat kemungkinan hipoglikemia lebih besar. Gejala hipoglikemia dapat digambarkan sebagai neuroglikopenik, memiliki efek langsung pada SSP, atau neurogenik, karena keterlibatan simpatoadrenergik. Gejala neurogenik selanjutnya dapat dipecah menjadi kolinergik atau adrenergik. Berikut adalah beberapa gejala umum hipoglikemia:

  • Neuroglikopenik: kelelahan, perubahan perilaku, kejang, koma, dan kematian.
  • Neurogenik – adrenergik: kecemasan, tremor, dan palpitasi.
  • Neurogenik – kolinergik: parestesia, diaforesis, dan kelaparan.