Metabolisme Intermedier


Preview


Metabolisme adalah total dari seluruh reaksi kimia yang terjadi di dalam tubuh organisme. Postingan  ini secara khusus membahas katabolisme, yaitu suatu reaksi yang memecah molekul untuk menghasilkan energi, yang mana serangga dapat melakukannya dengan sangat hebat dan cepat untuk memenuhi kebutuhan energi ketika terbang. Dalam beberapa detik, phospat berenergi tinggi yang tersedia di tubuh digunakan ketika terbang, dan energi harus dibuat tersedia kembali secepat mungkin dan tersedia dalam waktu lama untuk kelanjutan aktivitas terbang. Sistem trakea serangga mampu untuk mensuplai oksigen ke mitokondria. Bahkan selama terbang, serangga tidak membutuhkan hutang oksigen ketika terbang. Sebagai konsekuensi dari efisiensi sistem trakea dan pengantaran gliserol-3-fosfat cepat yang meregenerasi NAD+ untuk digunakan dalam glikolisis, hampir semua glukosa metabolik dapat langsung menuju piruvat, dan piruvat dapat langsung masuk ke mitokondria untuk metabolisme guna melepaskan jumlah besar. energi. Mitokondria pada otot terbang sangat terspesialisasi untuk mendukung metabolisme tingkat tinggi. Mitokondria ini sangat besar (lebih dari 4 µm panjangnya) dan bentuknya tidak teratur. Kristae pada mitokondria otot terbang sangat banyak, seperti halaman-halaman sebuah buku, dan mereka relative sedikit terbuka (matrix) dengan mitokondria lainnya. Lebih dari 40 % berat basah  dari otot terbang Phormia  regina, seekor lalat hijau, adalah berat mitokondria, dan setengah dari protein otot adalah protein mitokrondria. 1 mg otot terbang dari lalat hijau mungkin terdiri dari 1.1 × 108 mitokondria. Seorang ahli biokimia Albert Lehninger memperkirakan bahwa mitokondria otot terbang memiliki sebanyak 400 m2/g permukaan protein mitokrondria. Membran luar dari mitokondria serangga adalah permeable (dapat ditembus) untuk sebagian besar komponen yang dapat larut, tapi membrane dalam adalah sangat selektif permeable. Sitokrom C Reduktase dan heksokinase, diantara enzim-enzim lainnya, terletak di membrane luar. Ruangan diantara membrane luar dan dalam mengandung Adenilate kinase dan aktifitas nukleosida diphosphokinase. Permukaan luar dari membrane dalam mengandung gliserol-3-phosphate dehydrogenase, dan trehalase. Membran dalam terdiri dari rantai enzim pernapasan, adenosine triphosphate (ATP)-pensintesis enzim, dan  α-ketoglutarate dehydrogenase. Bagian dalam dari membrane dalam terdiri dari succinic dehydrogenase dan nicotinamide adenine dinucleotide (bentuk sederhana) (NADH) dehydrogenase. Matrik terdiri dari citrate synthetase, aconitase, isocitrate dehydrogenase, fumarase, malate dehydrogenase, alanine dan aspartate amino transferase, dan carnitine, acetyl dan palmityl transferases. Sebagian besar siklus krebs lanjutan tidak secara langsung melintasi membrane dalam dan biasanya tidak dimetabolisme ketika ditambahkan eksogen untuk mengisolasi mitokondria. Struktur knoblike berkisar 8 hingga 9 nm panjangnya, dan didalam struktur knoblike lah sebenarnya ATP disintesis oleh gradient chemiosmotic. 

Beberapa grup (Lepidoptera, Orthoptera, dan beberapa yang lain), membakar lemak (asam lemak) sebagai bahan bakar penerbangan. Asam lemak, yang mana dimetabolisme didalam mitokondria dan, karenanya, membutuhkan ketersediaan oksigen, melepaskan sejumlah besar energy per unit berat dari substrat yang dimetabolisme. Kemampuan untuk memobilisasi dan transport lemak dari lemak tubuh secara cepat dan ketersediaan oksigen dari sistem trakea adalah adaptasi utama pada serangga yang membakar lemak untuk terbang. Beberapa serangga yang memetabolisme lemak adalah mampu untuk terbang secara bekerlanjutan untuk beberapa jam dan melakukan migrasi dengan jarak jauh. Sebagian kecil serangga menggunakan proline sebagai bahan bakar terbang. Hal ini hasil metabolisme sempurna dengan sedikit energy per unit berat yang dimetabolisme, dan hanya sedikit serangga yang telah berevolusi untuk bergantung pada hal ini sebagai bahan bakar terbang yang utama. 

Pendahuluan

Hari demi hari aktifitas seekor serangga membutuhkan sebuah suplay energy yang konstan. Sebagian besar serangga dewasa membutuhkan sejumlah makanan untuk mendukung aktifitas, seperti pengusiran, reproduksi, dan terbang. Terbang, khususnya, adalah sebuah aktifitas dengan energy yang intensif, membutuhkan mobilisasi cepat dari cadangan energy. Kemudian, reaksi metabolisme ini secara langsung terbawa dalam memobilisasi cadangan energy yang tersimpan, dan dalam melepaskan energi untuk penerbangan, adalah subjek dari bagian ini. Proses yang sama mendukung aktivitas yang umum juga, tetapi pada tingkat yang kurang intens.

Di kerajaan hewan, hanya burung, serangga, dan kelelawar yang terbang dengan kekuatan otot mereka sendiri. Penerbangan memungkinkan serangga menyebar dengan cepat dan luas, dan mencari daerah baru untuk dijajah. Hal ini juga memungkinkan mereka untuk mencari sumber makanan baru dan / atau yang jarang didistribusikan, mencari calon pasangan, dan mencari tempat oviposisi.

Pada beberapa serangga, seperti blowlies (Sejenis lalat : Diptera) dan beberapa Hymenoptera, penerbangan adalah proses biologi yang membutuhkan energy intensif yang diketahui per unit berat dari jaringan. Bisa jadi karena memegang posisi yang unik ini, metabolisme penerbangan telah dipelajari secara ekstensif dan banyak review (ulasan) yang tersedia, termasuk Sacktor (1974), Bailey (1975), Candy (1985), Friedman (1985), Downer (1985), dan Beenakkers et al. (1986). Blacklock and Ryan (1994) menyajikan sebuah ulasan yang baik sekali untuk transport dan metabolisme lemak.

Bagian ini menyajikan sebuah pedahuluan dasar untuk bentuk metabolic yang penting dalam melepaskan energy untuk tubuh dan sel  secara umum dan mengatur tubuh serta pertumbuhan, dan untuk aktifitas intens otot penerbangan. 

Kebutuhan Energi untuk Penerbangan Serangga

Seekor lebah madu dalam penerbanga yang bekerlanjutan membakar lebih dari 2400 cal/g otot/ jam (Weis-Fogh, 1952). Berbeda dengan rekaman tingkat metabolisme yaitu 215 cal/g otot/jam untuk burung kolibri selama terbang melayang (Hainsworth, 1981), salah satu dari tingkat tertinggi adalah metabolisme yang diketahui diantara vertebrata. Massa tertentu dalam tingkat metabolisme untuk lebah madu yang terbang adalah sekitar tiga kali lebih besar daripada ukuran untuk burung kolibri yang melayang, dan 30 kali untuk atlet manusia dalam melakukan aktivitasnya (Suarez et al., 2000, dan referensi didalamnya). Tidak hanya beberapa serangga terbang memiliki nilai konsumsi oksigen dan kalori yang tinggi, tetapi mereka dapat mencapai tingkat metabolisme tinggi ini dalam beberapa detik setelah terbang. Setelah penghentian penerbangan, tingkat metabolisme kembali hampir seketika ke fase “istirahat” yang rendah. Hutang oksigen tidak harus dibayar setelah aktivitas intens karena metabolisme penerbangan pada serangga bersifat aerobik berbeda dengan sebagian besar pekerjaan anaerobik yang dilakukan pada otot vertebrata selama aktivitas otot yang intens.

Bagaimana serangga mengendalikan kecepatan “turn on” dan turn off”  pada metabolisme ketika terbang sangatlah menarik, Ahli biokimia mendeskripsikan penyesuaian diri dalam tingkat metabolisme ketika istirahat dan ketika aktivitas sebagai suatu nilai pengendalian, dihitung sebagai rasio tingkat konsumsi oksigen selama aktivitas otot yang intens dibagi tingkat istirahat.  Kontrol yang berarti, tentunya, bahwa seekor hewan meregulasikan konsumsi oksigen dan proses metabolic untuk mendukung aktifitas intens, dan kemudian menurunkan prosesnya ketika aktifitas berhenti atau istirahat. Atas ininisasi penerbangan, tingkat konsumsi oksigen pada beberapa serangga melompat dalam beberapa detik menjadi nilai yang sama besar dengan 100 kali tingkat saat istirahat. Seekor lalat (Blowly), Lucilia sericata, mengkonsumsi 33 hingga 50 µl oxygen/min/g jaringan ketika istirahat, namun hampir secara tiba-tiba meningkatkan hngga 3000 µl oxygen/min/g jaringan saat ketika penerbangan (Davis and Fraenkel, 1940). Sebuah perhitungan sederhana menunjukkan bahwa nilai pengendalian setidaknya 50, dan mungkin juga dapat sama dengan 100 kali nilai ketika istirahat. Seekor jenis ngengat, yang mana tidak terspesialisasi untuk terbang cepat, memiliki nilai konsumsi oksigen antara 7 hingga 12 µl/min/g otot ketika istirahat, dan 700 hingga 1660 µl/min/g otot ketika terbang,  sekali lagi nilai pengendalian mendekati 100 (Zebe, 1954).

Berikut beberapa perubahan dinamis yang terjadi dalam seekor serangga selama memulai penerbangan, termasuk perubahan dalam nilai metabolisme dan ion-ion, peningkatan kerja syaraf, kontraksi otot penerbangan, mobilisasi komponen dari lemak tubuh, pengangkutan sepanjang hemolymph, dan pelepasan hormon-hormon. Semua peristiwa ini berkontribusi untuk kemampuan pengendalian fisiologi serangga terbang untuk mencapai kecepatan 50-100 kali peningkatan dalam aktifitas metabolisme dan konsumsi oksigen selama penerbangan. Burung kolibri ketika terbang hanya memiliki sekitar 5 kali pegendalian dari metabolisme ketika istirahat ke penerbangan (Pearson, 1950), dan yang terlatih, seorang pelari sprinter juga hanya memiliki nilai pengendalian sekitar 5 selama melakukan sprint.

Serangga mampu menggunakan substrat yang berbeda sebagai bahan bakar ketika penerbangan. Sebagai energy yang dilepaskan, hal ini terperangkap dalam mata uang (nilai tukar) metabolism universal, yaitu ATP. Pada seluruh organisme, ATP tersedia dalam jumlah yang relative sedikit dalam sel, dan membutuhkan sintesis yang lebih. Konsentrasi ATP di sel adalah salah satu pengatur metabolisme, dengan “besarnya” sejumlah penghambat beberapa kunci enzim termasuk dalam sintesis ATP, sementara ketika jumlahnya menurun menstimulasi sintesis baru.   

Mungkin dalam seekor jenis serangga, level ATP dalam otot-otot penerbangan adalah cukup untuk hanya sekitar 1 detik penerbangan; sebuah cadangan phosphagen dari arginine phosphate, cukup untuk sebuah tambahan 2 hingga 4 detik penerbangan, dapat digunakan dengan cepat untuk mensistesis ATP (Candy, 1989), ditunjukkan dalam persamaan dibawah ini.


Secara jelas, metabolisme dari beberapa substrat tambahan dan sintesis ATP baru harus dimulai dalam 1 hingga 2 detik jika penerbangan beranjut. Seluruh serangga muncul untuk memetabolisme karbohidrat dan sejumlah sedikit prolin untuk “Siklus krebs utama” selama melakukan penerbangan. Beberapa, seperti Diptera dan Hymenoptera, dapat mempertahankan penerbangan hanya selama karbohidrat tersedia untuk dimetabolisme, sementara Lepidoptera, Orthoptera, dan sejumlah kelompok serangga lainnya dengan cepat beralih ke metabolisme lipid sebelum karbohidrat mereka hilang. Beberapa serangga memetabolisme prolin asam amino sebagai pasokan bahan bakar utama untuk mendukung penerbangan.

Simpanan Metabolik

Sumber Karbohidrat

Dua sumber cadangan karbohidrat yang paling umum adalah disakarida trehalosa dan polisakarida glikogen. Hemolymph, lemak tubuh, dan jaringan pencernaan adalah sumber utama cadangan karbohidrat, namun sejumlah kecil trehalosa dan glikogen terbentuk di otot. Trehalosa biasanya tersedia dalam jumlah besar dalam hemolymph dan secara cepat dihidrolisis menjadi dua molekul glukosa untuk otot atau penggunaan jaringan lain. Cadangan Glikogen dalam sel lemak tubuh dan sel pencernaan harus dihidrolisis untuk melepaskan unit glukosa, yang mana kemudian dirubah ke trehalosa dan diangkut oleh hemolymph ke jaringan aktif. Cadangan karbohidrat cukup biasanya dalam dipteran atau hymenopteran yang diberi makan dengan baik untuk mendukung penerbangan terus menerus selama 30 menit hingga mungkin 2 jam, tergantung pada spesies, ukuran serangga, ukuran tubuh lemak (yang bervariasi pada serangga), dan konten trehalose dari hemolymph (juga variabel).

a. Sumber Trehalose (Trehalosa)
Ketika energy dibutuhkan, trehalosa biasanya adalah metabolit yang pertamakali digunakan, dan hidrolisis ini menghasilkan dua molekul glukosa untuk masing-masing trehalosa yang dihidrolisis. Trehalose adalah gula penyimpanan utama serangga, dan dari 200 mg hingga 1,5 g per 100 ml hemolymph terjadi di hemolimfa dari berbagai spesies serangga. Trehalose adalah disakarida (α-D-glucopyranosyl-α-D-glucopyranoside), dengan dua unit glukosa terkait α-1,1 (Gambar 7.1). Sebagai konsekuensi dari hubungan 1,1 dari dua unit glukosa, trehalose adalah gula non-pereduksi, mungkin merupakan fitur penting karena gula pereduksi yang terjadi dalam konsentrasi besar seperti trehalose di hemolymph mungkin berinteraksi dengan dan mengurangi komponen lain di dalam hemolimfa. atau jaringan. Tempat penyimpanan tambahan trehalose terjadi di sel otot dan sel-sel tubuh lemak.

Trehalosa disintesis dengan cepat dari glukosa yang hal ini diserap dari midgut (organ pencernaan tengah). Penyerapan glukosa mungkin memiliki beberapa bentuk, seperti ditunjukkan pada gambar 7.2, namun dengan sedikit pengecualian, glukosa tidak disimpan seperti didalam serangga dan biasanya tidak tersedia dalam kuantitas yang berarti dalam hemolymph. Sintesis cepat dari glukosa yang diserap ke dalam trehalose menjaga kadar hemolimf glukosa sangat rendah, dan penyerapan glukosa terjadi tanpa mekanisme transport membran yang membutuhkan energi. Proses ini disebut difusi difasilitasi dan, bahkan ketika konsentrasi usus rendah, glukosa masih efektif diserap.

Konversi glukosa (14C) menjadi trehalosa telah dibuktikan dalam persiapan jaringan dari beberapa serangga, termasuk ortoptera Schistocerca gregaria, Locusta migratoria; seekor Diptera, P. regina; Seekor dictyopteran (cockroach), Leucophaea maderae; dan anggota lepidoptera, Bombyx mori dan Hyalophora cecropia. Sebagian besar sintesis trehalosa terjadi dalam sel lemak tubuh, dengan sejumlah kecil yang disintesis dalam jaringan lain, seperti saluran pencernaan dan sel otot.


Trehalose adalah gula berharga bagi serangga untuk sintesis, membutuhkan beberapa enzim, tahap, dan masukan dari fosfat berenergi tinggi dari ATP. Jalur untuk sintesis trehalose dalam tubuh lemak (Gambar 7.3) didasarkan pada pekerjaan peneliti di beberapa laboratorium yang berbeda. Segera setelah penyerapan dari usus, glukosa diubah menjadi glukosa-6-fosfat oleh enzim heksokinase dengan ATP yang mensuplai gugus fosfat dan energi untuk transfernya ke glukosa. Dua molekul glukosa-6-fosfat diperlukan untuk sintesis trehalose, yang memerlukan investasi dari dua ATP. Tidak diperlukan pertukaran energi yang signifikan ketika gugus fosfat ditransfer ke karbon-1 glukosa dalam reaksi berikutnya. Enzim uridine difosfat glukosa-glukosa pyrophosphorylase mengkatalisis sintesis uridine difosfat glukosa (UDPG) dari glukosa-1-fosfat dan uridin trifosfat (UTP). Trehalose-6-fosfat sintetase mengkatalisis pembentukan trehalose-6-fosfat dari glukosa-6-fosfat dan UDPG, dengan pelepasan uridin difosfat (UDP). Regenerasi UTP untuk reaksi masa depan membutuhkan fosforilasi enzimatik dari UDP oleh ATP, sehingga satu ATP harus dihitung dalam biaya sintesis trehalose. Akhirnya, sintase trehalose-6-fosfat menghilangkan gugus fosfat dari trehalose-6-fosfat untuk membentuk trehalose.

Sintesis trehalosa, setidaknya bagiannya, diregulasi oleh mekanisme umpan balik negative yang mana trehalosa bebas menghambat trehalose-6-phosphate synthetase dan, kemudian bertindak seperti sebuah rem pada sistem. Dengan pelambatan sistesis baru trehalosa ketika konsentrasi trehalosa tinggi dan sedikit metabolit membutuhkan untuk suplay energy kehidupan, agaknya umpan balik negative membantu pergiliran sintesis glukosa dalam glikogen. Interaksi dari dua sistem ini untuk simpanan glukosa adalah tepat, meskipun tidak dikerjakan secara rinci dalam serangga.
Bahkan jika tidak ada upaya yang dibuat untuk perhitungan energi yang disediakan untuk sintesis enzim-enzim pada struktur trehalosa, atau untuk perawatan struktur, setidaknya 3 mol ATP dibutuhkan untuk sintesis 1 mol trehalosa dari glukosa. Mengapa serangga menggunakan bentuk cadangan yang berharga untuk gula ketika beberapa organisme mengumpulkan gula sebagai glukosa ?. jawabannya masih belum jelas, tapi beberapa perkiraan telah ditawarkan. Kemungkinan salah satu tekanan seleksi selama evolusi adalah nilai cadangan yang besar dari suatu sumber energi langsung dalam hemolymph yang tersedia untuk mendukung kebutuhan energi dari keberlangsungan penerbangan. Sifat yang tidak merusak dari trehalosa, berbanding terbalik dengan sifat merusak dari glukosa, mungkin  mencegah reaksi yang tidak diinginkan dalam hemolymph. Lebih dari itu, mungkin telah terjadi seleksi evolusi untuk mereduksi efek osmosis dari nutrisi terlarut dalam hemolymph. Sebagai contoh, 10 mM trehalose memiliki nilai energi setara 20 mM glukosa, tetapi trehalose dalam larutan hanya akan memiliki setengah nilai osmotik yang akan memiliki 20 mM glukosa karena tekanan osmotik bergantung pada jumlah partikel kimia dalam larutan atau suspensi dan bukan pada ukuran atau sifat kimia mereka.
Glukosa sudah tersedia dari trehalose sesuai dengan reaksi berikut:
Sebagian besar serangga memiliki trehalosa tingkat tinggi di hemolymph dan sel-sel lemak tubuh, tetapi enzim ada sebagai proenzim yang tidak aktif. Mekanisme dimana serangga mengubah proenzim menjadi bentuk aktif di bawah proses fisiologis normal belum dijelaskan. Trehalase dapat diaktifkan dengan cepat oleh tindakan sederhana melukai dan pengumpulan hemolymph untuk uji trehalose, dan dengan gangguan jaringan lain selama pengambilan sampel. Dengan demikian, untuk mengukur tingkat trehalose  sebenarnya di hemolymph atau jaringan membutuhkan perawatan untuk menonaktifkan atau meminimalkan aktivitas trehalase selama pengumpulan dan pengolahan jaringan.

b. Pusat Penyimpanan Metabolik Glikogen
Glikogen adalah bentuk energi simpanan yang kedua. Otot penerbangan serangga mengandung glikogen, tetapi kebanyakan otot terlalu kecil untuk menyimpn dalam jumlah banyak. Glikogen tersedia antara 10 sampai 15 mg / g berat thorax basah, pada sebagian besar jaringan otot pada blowfly, P. regina (Childress et al., 1970), dan ini cukup untuk beberapa menit penerbangan. Untuk mempertahankan penerbangan, bahan bakar tambahan harus dibawa ke otot penerbangan. Glukosa dapat dilepaskan dari glikogen yang disimpan dalam lemak  tubuh oleh glikogen fosforilase. Enzim ini hadir dalam jaringan otot dan lemak tubuh sebagai fosforilase b tidak aktif, dan harus diaktifkan untuk fosforilase a. Aktivasi ini berada di bawah kendali hormon hipertifalosemik (HTH), hormon peptida yang sebelumnya disebut hormon hiperglikemik (HGH). Inisiasi penerbangan mengaktifkan corpora cardiaca , mungkin melalui kontrol saraf, untuk mengeluarkan hormon (Steele, 1961, 1980, 1985). HTH membutuhkan partisipasi dari utusan kedua, cAMP (siklik adenosin monofosfat), pada permukaan membran sel tubuh lemak (Hanaoka dan Takahashi, 1977) untuk mengaktifkan fosforilase b kinase, yang mengubah fosforilasa aktif b menjadi fosforilase aktif a.
Karena glukosa-1-PO4, daripada glukosa, dilepaskan dari glikogen, investasi 1 ATP disimpan pada tahap awal jalur glikolitik. Ca2 + pada konsentrasi serendah 10-8 M dan fosfat anorganik menstimulasi fosforilasa b kinase, dan stimulasi mendekati maksimum pada 10-6 M Ca2 + (Chaplain, 1967; Hansford dan Sacktor, 1970). Baik Ca2 + gratis dan PO4 anorganik meningkat sebagai hasil dari inisiasi penerbangan. Reaksi sebaliknya yang menonaktifkan glikogen fosforilasa oleh konversi fosforilasa menjadi fosforilasa b dikatalisis oleh fosforilasa fosfatase, tetapi sedikit yang diketahui tentang bagaimana fungsi enzim ini pada serangga.

c. Sintesis Glikogen
Penyimpanan glikogen terjadi terutama di sel-sel tubuh lemak, tetapi beberapa glikogen disimpan dalam sel-sel epitel usus dan, sampai batas tertentu, dalam sel-sel otot. Sintesis glikogen dikatalisis oleh enzim UDP-glukosa-glikogen transglikosilase, juga dikenal sebagai glikogen sintetase, menurut persamaan berikut:
Kontrol regulasi yang tepat menentukan sintesis trehalose vs glikogen tidak jelas pada serangga, tetapi salah satu faktor yang dikenal untuk merangsang sintesis glikogen dalam jaringan serangga adalah akumulasi glukosa-6-fosfat. Glukosa-6-fosfat dapat berakumulasi secara lambat karena laju sintesis trehalose menurun karena inhibisi umpan balik dari trehalose bebas pada sintetase 6-fosfat trehalose. Penurunan sintesis trehalose kemungkinan akan menggeser kolam UDP-glukosa menuju sintesis glikogen.

Hormon Pengontrol Metabolisme Karbohidrat

Hormon utama yang mengendalikan metabolisme karbohidrat adalah hormon peptida HTH. Hormon peptida terkait, hormon adipokinetik (AKH), dapat menggantikan tindakan HTH pada beberapa serangga. Misalnya, Manduca sexta, tembakau hornworm, menggunakan AKH untuk mengendalikan metabolisme karbohidrat selama pertumbuhan dan perkembangan larva, tetapi orang dewasa menggunakan AKH untuk memobilisasi lipid untuk bahan bakar penerbangan (Zeigler et al., 1990; Nijhout, 1994).

Hormon hipertalosemik dan hormon adipokinetik telah dimurnikan dan diurutkan. Kedua senyawa tersebut sangat erat kaitannya dengan kimia dan dianggap sebagai anggota keluarga hormon peptida yang sama (Gäde, 1990; Nijhout, 1994). HTH adalah polipeptida dari 10 asam amino, dan urutan asam amino sedikit bervariasi dari spesies ke spesies. AKH, juga diisolasi dari beberapa serangga yang berbeda, mungkin memiliki 8 hingga 10 asam amino dalam strukturnya.

Jalur Metabolisme Pendukung Aktivitas Otot Intens, Seperti Penerbangan

Glycolysis

Semua serangga yang diuji memetabolisme karbohidrat terlebih dahulu setelah terbang. Untuk beberapa serangga, seperti dipterans dan hymenopteran, karbohidrat adalah satu-satunya bahan bakar yang dapat mereka gunakan dengan cukup cepat untuk mendukung penerbangan. Serangga lainnya memetabolisme karbohidrat saat inisiasi penerbangan, tetapi jika penerbangan berlanjut, mereka beralih ke bahan bakar lain, seperti prolin atau asam lemak. Glikolisis (Gambar 7.4), proses di mana serangga mulai memetabolisme glukosa, mirip dengan proses pada vertebrata dan organisme lain, dengan pengecualian bahwa glikolisis pada otot penerbangan serangga selalu aerobik, tidak pernah anaerobik seperti pada otot vertebrata aktif bekerja. Suplai trakea untuk otot penerbangan serangga sangat luas (lihat Bab 16), dan mampu memasok oksigen yang cukup untuk oksidasi total aerobik selama penerbangan. Enzim fungsi glikolisis sama baiknya dalam kondisi aerobik atau kondisi anaerobik.

Spesialisasi lain dalam glikolisis otot penerbangan serangga adalah cara di mana NADH dalam sitoplasma teroksidasi menjadi NAD +. Jumlah NAD + sitoplasma terbatas pada otot-otot terbang serangga, sama seperti pada otot vertebrata, dan agar glikolisis terus berlanjut, NAD + harus secara konstan diregenerasi. NAD + sitoplasma pada otot penerbangan serangga diregenerasikan melalui shuttle gliserol-3-fosfat, tidak melalui konversi piruvat menjadi laktat seperti pada vertebrata. Beberapa otot skeletal yang bekerja lebih lambat pada serangga, seperti otot kaki, dapat mengoksidasi NADH menjadi NAD +, oleh piruvat menjadi laktat.

Karena glukosa pada kebanyakan serangga tidak ada dalam jumlah yang signifikan dalam sitoplasma sel atau hemolymph, glukosa yang memasuki proses glikolitik akan diturunkan pertama dari hidrolisis trehalose dan sedikit kemudian dari glikogen. Glukosa yang berasal dari trehalose harus terfosforilasi dengan partisipasi ATP dan hexokinase. Investasi ATP untuk memulai proses ini harus dikurangi kemudian dari jumlah total ATP yang diproduksi sebagai hasil dari metabolisme glukosa lengkap. Paradoks untuk serangga yang memulai penerbangan dan membutuhkan energi dari glukosa, aktivitas heksokinase otot hama mudah dihambat oleh produk dari aksinya, glukosa-6-fosfat, seperti pada sistem hewan lainnya. Penghambatan ini diimbangi oleh produk lain, seperti fosfat anorganik yang terakumulasi dari penggunaan ATP untuk mendayai aktivitas otot intens yang mendadak. Awalnya, situasinya agak analog dengan mengendarai mobil dengan satu kaki di rem dan yang lain di pedal gas. Selama penerbangan berkelanjutan, bagaimanapun, keadaan stabil segera tercapai sehingga glikolisis berlangsung lancar. Glukosa dilepaskan dari glikogen dalam keadaan terfosforilasi, seperti glukosa-1-fosfat, tanpa pengeluaran fosfat berenergi tinggi, seperti ATP, karena gugus fosfat berasal dari fosfat anorganik. Jadi, ketika glikogen adalah sumber glukosa untuk metabolisme, ada satu ATP yang lebih sedikit yang dibutuhkan daripada ketika glukosa berasal dari trehalose. Gugus fosfat dalam glukosa-1-fosfat dipindahkan ke karbon-6 oleh fosfoglukomutase untuk membentuk glukosa-6-fosfat tanpa pengeluaran ATP lebih lanjut. Langkah penting berikutnya adalah konversi glukosa-6-fosfat, gula 6-karbon, menjadi fruktosa-6-fosfat, dan reaksi ini dikatalisasi oleh fosfoglukoisomerase tanpa masukan tambahan ATP. Beberapa frekuensi alel untuk phosphoglucoisomerase yang berada di bawah seleksi oleh suhu telah ditemukan dalam kumbang yang tidak dapat terbang, Chrysomela aeneicollis, dan mungkin penting dalam kemampuan kumbang daun montana ini untuk menyesuaikan dengan perubahan kondisi iklim (Rank et al., 2007).

Konversi fruktosa-6-fosfat menjadi fruktosa-1,6-difosfat membutuhkan fosforilasi lain, dan kali ini ATP diperlukan untuk menyediakan energi dan gugus fosfat. Dengan demikian, tergantung pada sumber glukosa di awal, baik satu ATP (jika glukosa berasal dari glikogen), atau dua ATP (jika dari trehalose), harus diinvestasikan untuk mendapatkan glikolisis berlangsung.
Konversi fruktosa-6-fosfat menjadi fruktosa-1,6-difosfat adalah salah satu poin kontrol utama untuk metabolisme karbohidrat pada serangga, seperti pada organisme lain. Kelebihan ATP menghambat fosfofruktokinase yang diisolasi dari otot terbang serangga blowfly, dan bertindak sebagai rem pada glikolisis ketika permintaan untuk ATP menurun. Fosfofruktokinase dirangsang oleh AMP, fosfat anorganik, dan AMP siklik (Walker dan Bailey, 1969), produk diharapkan terakumulasi dari inisiasi penerbangan dan penggunaan ATP yang tersedia dalam kontraksi otot. Meskipun ATP menurun pada blowfly Phormia pada saat inisiasi penerbangan, itu turun hanya sedikit dari 6,9 mM menjadi 6,2 mM (Sacktor dan Hurlbut, 1966), penurunan yang tidak mungkin untuk meredakan inhibisi fosfofruktokinase karena konsentrasi rendah dari 6,2 mM ATP masih terhambat fosfofruktokinase terisolasi secara in vitro. Ada juga kenaikan tingkat AMP dari 0,12 mM saat istirahat menjadi 0,30 mM dalam penerbangan, tetapi sekali lagi besarnya perubahan yang tampaknya tidak cukup untuk memperhitungkan peningkatan besar dalam metabolisme penerbangan. Faktor tambahan, mungkin berkaitan dengan kompartementalisasi, dan agen lain yang belum teridentifikasi yang bertindak atas titik kontrol ini mungkin terlibat.

a. Glycerol-3-Fosfat Shuttle dan Regenerasi NAD +

Fruktosa-1,6-difosfat dibagi menjadi dua produk 3-karbon, gliseraldehida-3-fosfat dan dihidroksiaseton fosfat. Kedua senyawa ini dapat dipertukarkan dan enzim untuk konversi adalah isomerase triosephosphate. Oksidasi gliseraldehida-3-fosfat menjadi 1,3-difosfogliserat merupakan langkah yang sangat penting karena tergantung pada ketersediaan fosfat anorganik dan bentuk teroksidasi dari nikotinamida adenin dinukleotida (NAD +). Fosfat anorganik (bentuk yang mungkin mungkin NaHPO4 atau KHPO4) tidak mungkin menjadi faktor pembatas dalam reaksi, tetapi hanya sejumlah kecil NAD + yang ada dalam sitoplasma, dan bentuk teroksidasi harus diregenerasi secepat yang digunakan dalam rangka. untuk reaksi sitoplasma ini untuk melanjutkan. Dalam reaksi, dua elektron dan dua proton dikeluarkan dari gliseraldehida-3-fosfat, sehingga mengoksidasi menjadi 1,3-difosfogliserat. Dua elektron dan satu proton diterima oleh NAD +, menguranginya menjadi NADH (Gambar 7.5), dan satu proton disangga oleh medium sitoplasma. Jika NADH, yang dihasilkan dari reaksi ini, bisa masuk ke mitokondria, yang seperti yang disebutkan di atas selalu memiliki oksigen yang tersedia di otot terbang, itu bisa direoksidasi ke NAD +, tetapi mitokondria otot penerbangan relatif kedap terhadap NADH, NADPH, NAD +, dan NADP + ( Sacktor, 1961; Sacktor dan Dick, 1962). Dengan demikian, mekanisme sitoplasma diperlukan untuk meregenerasi NAD +. Mekanisme sitoplasma umum untuk regenerasi NAD + pada otot vertebrata yang bekerja adalah transfer dua elektron dan satu proton dari NADH (dan proton sitoplasmik, H +) ke piruvat, sehingga menguranginya menjadi laktat. Meskipun dehidrogenase laktat, katalis untuk reaksi ini, terjadi pada otot kaki berjalan serangga dan otot-otot lain yang melakukan gerakan lebih lambat, aktivitasnya dalam otot penerbangan sangat rendah dan tidak mampu meregenerasi NAD + cukup cepat untuk memungkinkan metabolisme karbohidrat berlanjut pada tingkat tinggi. . Otot-otot penerbangan memiliki tingkat enzim yang tinggi, sitoplasma gliserol-3-fosfat dehidrogenase (Tabel 7.1), yang mengkatalisis regenerasi NAD + di sitoplasma jauh lebih cepat oleh setengah sitoplasma dari reaksi antar-gliserol-3-fosfat, seperti yang ditunjukkan di sini.


Reaksi sitoplasma ini adalah yang pertama dari antar-jemput dua langkah untuk mentransfer elektron dari sitoplasma ke mitokondria. Regenerasi sitoplasma NAD + memungkinkan oksidasi berkelanjutan gliseraldehida-3-fosfat, dengan produksi tingkat substrat dari 1 mol fragmen ATP / 3-karbon teroksidasi menjadi asam piruvat. Piruvat dengan cepat memasuki mitokondria dan mengarah pada oksidasi lebih lanjut dan produksi ATP melalui siklus Krebs.

Glycerol-3-fosfat (G-3-P) dari reaksi di atas tidak terakumulasi dalam sitoplasma jaringan otot penerbangan seperti yang dilakukan laktat pada otot vertebrata yang berfungsi. Tentang konsentrasi yang sama, 2 mM, hadir di kedua otot penerbangan beristirahat dan bekerja (Sacktor dan Wormser-Shavit, 1966). Secepat yang dihasilkan, G-3-P melintasi membran luar mitokondria otot terbang dan, pada permukaan luar membran mitokondria bagian dalam, ia dengan cepat teroksidasi menjadi dihidroksiketon fosfat oleh mitokondria yang dinukleotida flavin adenin dinukleotida (FAD) dehidrogenase gliserol-3-fosfat terikat ke membran dalam, sesuai dengan reaksi berikut.
Flavoprotein menerima dua elektron dan dua proton, yang akhirnya ditransfer dengan cepat melalui sistem transpor elektron di mitokondria ke molekul oksigen sebagai akseptor akhir. Beberapa adaptasi evolusioner telah memungkinkan perpindahan ini, termasuk (1) aktivitas tinggi dehidrogenase gliserol-3-fosfat sitoplasma, (2) lokalisasi gliserol-3-fosfat dehidrogenase aktif pada permukaan luar membran dalam mitokondria otot terbang , dan (3) ketersediaan oksigen dan sistem transportasi elektron berfungsi penuh dalam mitokondria otot kerja. Dihydroxyacetone fosfat pada permukaan membran bagian dalam dengan cepat berdifusi keluar dari mitokondria ke dalam sitoplasma. Keseluruhan proses dapat dirangkum secara ringkas sebagai berikut:
NADH teroksidasi menjadi NAD + di sitoplasma dan elektron dan protonnya (ditambah proton sitoplasma lainnya) dialirkan melalui membran mitokondria luar melalui pembawa, gliserol-3-fosfat. Pada permukaan luar membran dalam, pembawa dioksidasi menjadi dihidroksiaseton fosfat, yang kembali ke sitoplasma untuk mengulangi proses, dan elektron dan proton melewati rantai transpor elektron dengan pembangkitan 2 ATP / sitoplasma NADH teroksidasi.

Bukti untuk pentingnya pesawat ulang alik G-3-P dalam penerbangan berasal dari mutan Drosophila melanogaster yang kekurangan gliserol-3-fosfat dehidrogenase sitoplasma (Bewley et al., 1974; Collier et al., 1976) dan tidak mampu penerbangan, mungkin karena mereka tidak memiliki cara yang efektif untuk meregenerasi ATP secara cepat di sitoplasma.

b. Signifikansi dan Kontrol dari Glycerol-3-Phosphate Shuttle

Signifikansi pesawat ulang-alik gliserol-3-fosfat bergantung pada asumsi bahwa pesawat ulang-alik menghasilkan sendiri ketika jumlah katalitik fosfat dihidroksiaseton diperkenalkan (Sacktor dan Dick, 1962). Sejumlah kecil molekul dihydroxyacetone phosphate (DHAP) diubah menjadi G-3-P dalam sitoplasma, dengan konversi G-3-P ke DHAP ke dalam membran mitokondria, dapat berputar berulang selama penerbangan dan menjaga tingkat sitoplasma NAD + tinggi. Ini akan memungkinkan hampir semua DHAP dihasilkan dari pemisahan fruktosa-1,6-difosfat yang akan diubah menjadi gliseraldehida-3-fosfat, dan akhirnya diubah menjadi piruvat. Dalam skenario ini, semua glukosa awal dapat diubah menjadi dua molekul piruvat yang memasuki siklus Krebs; dengan demikian, produksi ATP dalam glikolisis dan dalam siklus Krebs dimaksimalkan. Pesawat ulang-alik itu sendiri harus menghasilkan 4 mol ATP per glukosa mol yang dimetabolisme (dua ATP untuk setiap NAD + sitoplasma yang diregenerasikan, atau dikatakan dengan cara lain, dua ATP untuk setiap FADH2 yang diproduksi dalam mitokondria sebagai hasil dari tindakan antar-jemput), dan jika pesawat ulang-alik membuatnya mungkin untuk hampir semua glukosa diubah menjadi piruvat, kemudian 4 mol ATP mol / mol glukosa akan dihasilkan oleh oksidasi substrat dalam reaksi glikolisis. Dengan demikian, dalam skenario ini, sebanyak 8 mol ATP dapat diproduksi per mol glukosa yang dimetabolisme selama glikolisis. Jika glukosa berasal dari trehalose, maka dua ATP akan diperlukan dalam fosforilasi awal (untuk membentuk glukosa-6-fosfat dan fruktosa-1,6-difosfat), sehingga produksi bersih akan menjadi enam ATP. Jika glikogen menyediakan glukosa, maka hanya satu ATP yang diperlukan dalam fosforilasi awal, dan produksi bersih ATP / glukosa yang dimetabolisme adalah tujuh. Hal yang penting adalah bahwa penerbangan dapat berlanjut untuk jangka waktu lama yang didukung oleh metabolisme aerobik, yang menyediakan lebih banyak ATP daripada metabolisme anaerobik.

Pentingnya pesawat ulang-alik di otot penerbangan serangga menunjukkan bahwa harus ada titik kontrol dalam mekanisme pesawat ulang-alik, dan memang ada. Ca2 + gratis, dan mungkin Mg2 +, penting dalam menstimulasi metabolisme gliserol-3-fosfat. Ethylene diamine tetraacetic acid (EDTA), agen pengasing untuk kation divalen, menghambat oksidasi gliserol-3-fosfat, tetapi penghambatan dapat dibalik dengan menambahkan Ca2 + atau Mg2 +, sehingga melibatkan satu atau kedua ion ini sebagai faktor kontrol potensial dalam reaksi antar-jemput (Estabrook dan Sacktor, 1958). Meskipun Ca2 + terikat pada retikulum sarkoplasma (SR), jaringan membran dalam jaringan otot, kedatangan impuls saraf menyebabkan pelepasannya. Di bawah kondisi ini, konsentrasi ion Ca2 + bebas pada 10-6 M hingga 10-7 M terjadi pada sarkoplasma. Ca2 + yang dilepaskan dalam jaringan otot menstimulasi dehidrogenase G-3-P dan antagonis penghambatan istirahat dehidrogenase (Sacktor dan Wormser-Shavit, 1966), dengan 10-7 M Ca2 + merangsang dehidrogenase G-3-P menjadi sekitar setengah aktivitas maksimal (Hansford dan Chappel, 1967; Donnellan dan Beechey, 1969; Carafoli dan Sacktor, 1972).

Siklus Krebs

Reaksi siklus Krebs ditunjukkan pada Gambar 7.6. Dua produk dari metabolisme glukosa dalam jalur glikolitik, piruvat dan gliserol-3-fosfat, dengan cepat memasuki mitokondria (Sacktor dan Wormser-Shavit, 1966). Piruvat sitoplasma terakumulasi sangat singkat selama beberapa detik pertama setelah penerbangan dimulai, mungkin karena kebutuhan untuk memulai siklus Krebs dengan intermediet, terutama oksaloasetat sebagai akseptor untuk asetat yang dihasilkan dari oksidasi piruvat. Priming dari siklus mungkin hasil dari metabolisme proline. Proline menurun pada awalnya pada awal penerbangan, dan dapat diubah oleh proline dehidrogenase menjadi glutamat, yang pada gilirannya mengalami transaminasi dengan piruvat untuk membentuk α-ketoglutarat dan alanin. α-Ketoglutarat, komponen normal dari siklus Krebs, dioksidasi melalui beberapa langkah menuju oksaloasetat. Dalam hal apapun, penundaan oksidasi piruvat cepat hilang.

Sebagian besar substrat dari siklus Krebs tidak mudah teroksidasi ketika ditambahkan secara eksogen ke mitokondria terisolasi, rupanya karena mereka tidak dapat menembus membran mitokondria (Van den Bergh dan Slater, 1962). Dalam persiapan mitokondria terisolasi dari beberapa serangga, ditambahkan suksinat dimetabolisme, tampaknya setelah transportasi oleh pembawa di membran mitokondria. Pembawa cepat dijenuhkan oleh buffer fosfat anorganik, dan oksidasi suksinat paling baik ditunjukkan dalam sistem buffer nonfosfat. Beberapa contoh oksidasi cepat dari intermediet siklus Krebs yang lain telah muncul, dan ada kemungkinan bahwa beberapa variabilitas ada di antara spesies serangga seperti yang, jika ada, dari intermediet siklus Krebs dapat dimetabolisme oleh mitokondria terisolasi. Pada serangga utuh, tentu saja, siklus siklus Krebs dihasilkan dari dalam, dan tidak harus menembus mitokondria. Kurangnya permeabilitas membran ke intermediet siklus Krebs berfungsi untuk menjaga konsentrasi internal tinggi, karena mereka tidak bocor keluar.

Enzim piruvat dehidrogenase dalam jaringan otot penerbangan serangga ada dalam bentuk tidak aktif (terfosforilasi) dan bentuk aktif (deposforilasi), dengan aktivasi dikontrol oleh enzim fosfatase yang diaktifkan oleh Ca2 + bebas. Masuknya piruvat ke mitokondria dan konversinya ke asetil-koenzim A kemungkinan akan melibatkan sekuen multistep pada serangga, seperti yang terjadi pada organisme lain. Urutan lima langkah kompleks untuk melewati piruvat melintasi membran mitokondria dan ke dalam matriks mitokondria telah dijelaskan untuk beberapa persiapan mitokondria noninsek (Lehninger, 1975).
a. Kontrol Metabolisme Siklus Krebs dan Pengaturan Metabolisme Karbohidrat pada Otot Penerbangan
Titik kontrol dalam siklus Krebs memungkinkan serangga untuk meningkatkan aktivitas metabolik dengan cepat setelah terbang. Isocitrate dehidrogenase, enzim NAD-linked, adalah titik kontrol utama (Goebell dan Klingenberg, 1964; Hansford, 1972; Zahavi dan Tahori, 1972). Ini dihambat oleh tingkat ATP yang tinggi dan dirangsang oleh isocitrate, ADP, dan PO4 anorganik. Dua senyawa terakhir terakumulasi dari penggunaan ATP untuk memulai dan mendukung penerbangan. Konsentrasi dan rasio relatif ATP, ADP, dan AMP memainkan peran penting dalam mengatur metabolisme pada serangga, seperti yang mereka lakukan pada organisme lain. Otot penerbangan P. regina mengandung 6,9, 1,5, dan 0,13 μmol / g berat basah ATP, ADP, dan AMP, masing-masing (Sacktor dan Hurlbut, 1966). Setelah memulai penerbangan, tingkat ATP turun dengan cepat, sementara konsentrasi ADP, AMP, dan PO4 anorganik meningkat. Banyak langkah dalam mobilisasi dan metabolisme karbohidrat memerlukan mekanisme pengaturan untuk memungkinkan peningkatan laju metabolisme yang cepat pada saat memulai penerbangan dan penurunan yang sama cepat dalam metabolisme ketika penerbangan berhenti.

Sistem Transportasi Elektron

Sistem transpor elektron dalam mitokondria serangga mirip dengan yang ada pada hewan lain (Sacktor, 1974). Komponen rantai pernapasan disusun secara berurutan pada membran mitokondria bagian dalam sehingga elektron mengalir ke bawah rantai, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 7.7. Elektron lewat secara berurutan ke komponen dengan potensial reduksi oksidasi yang lebih rendah (nilai yang lebih positif) sampai oksigen molekuler menerima dua elektron dan dua proton untuk membentuk air. Mitokondria otot penerbangan tidak permeabel terhadap NAD + atau NADH, sehingga nukleotida sitoplasmik tidak siap memasuki mitokondria, begitu pula mitokondria di luar mitokondria. Kompleks enzim dehidrogenase-NAD + sering terikat erat dengan membran dalam. Pengecualian adalah mitokondria gliserol-3-fosfat dehidrogenase yang terlibat dalam antar-jemput yang dijelaskan dalam glikolisis; dehidrogenase ini terletak di bagian luar membran dalam dan terkait dengan flavoprotein selain NAD +. Mitokondria serangga memiliki zat besi nonheme yang mengandung koenzim Q, juga disebut ubiquinone, antara flavoprotein dan sitokrom b dalam rangkaian berantai. Seperti sitokrom, satu molekul koenzim Q hanya menerima satu elektron dan tidak ada proton. Coenzyme Q memiliki rantai samping isoprena dengan panjang yang bervariasi pada serangga yang berbeda.

Sitokrom adalah protein (enzim) yang mengandung besi (Fe) yang disimpan dalam struktur heme-porfirin (Gambar 7.8). Besi ini tersedia dari protein pengangkut zat besi, transferin, di hemolymph dan dari protein penyimpanan, feritin (Nichol et al., 2002). Satu molekul dari salah satu sitokrom dapat menerima hanya satu elektron (atau melepaskan satu pada oksidasi). Atom besi dalam struktur heme adalah bagian dari molekul yang menerima satu elektron (sehingga menjadi berkurang Fe2 +). Fe2 + menjadi teroksidasi menjadi Fe3 + ketika elektron dilewatkan ke sitokrom berikutnya dalam urutan. Tidak ada proton yang dapat diterima oleh sitokrom; proton yang dikeluarkan dari FPH2 dipompa ke matriks mitokondria, sementara dua elektron dilewatkan ke dua molekul sitokrom b. Nanti proton ini akan kembali melalui kompleks ATP synthase di membran dalam, memungkinkan pembentukan ATP baru, dan proton bergabung dengan dua elektron dalam struktur H2O. Semua sitokrom memiliki karakteristik absorpsi dalam keadaan berkurang yang ditentukan oleh cincin heme-porfirin, Fe, dan rantai protein. Dengan demikian, sitokrom C551 merupakan sitokrom khas serangga dan daya serapnya maksimum dalam keadaan tereduksi pada 551 nm. Pada vertebrata, sitokrom pada posisi ini dalam rantai disebut sitokrom c1, dan spektrum penyerapannya memiliki maksimum 554 nm yang menandakan bahwa ia sedikit berbeda dalam beberapa cara, mungkin hanya dalam peliputan tulang punggung protein sitokrom. Sitokrom c, sitokrom berikutnya dalam urutan, telah diisolasi dan dimurnikan dari banyak organisme, termasuk famili berbeda dari serangga. Dua sitokrom terakhir dalam rantai membentuk unit yang dikenal sebagai oksidase sitokrom. Elektron ditransfer dari sitokrom a ke sitokrom a3 dan kemudian ke atom oksigen. Dua proton yang diperlukan untuk pembentukan air diambil dari matriks mitokondria. Air yang terbentuk melalui transfer elektron substrat dan proton ke oksigen disebut air metabolik. Ini adalah sumber air yang sangat penting untuk semua serangga, dan terutama mereka yang tinggal di lingkungan yang sangat kering.
Pada tiga titik dalam rantai transfer elektron, energi yang cukup dilepaskan dalam satu langkah untuk memungkinkan sintesis molekul ATP dari ADP dan fosfat anorganik (minimal sekitar 7,5 kkal diperlukan) (Gambar 7.8). Dengan demikian, ketika dua elektron dilewatkan melalui jalur transfer elektron lengkap, tiga ATP dapat terbentuk. Sintesis pertama ATP terjadi ketika dua elektron dilewatkan dari NADH ke FAD. Jika langkah ini dilewati, seperti ketika FAD secara langsung menerima elektron dari oksidasi substrat (misalnya, dalam reaksi mitokondria gliserol-3-fosfat menjadi dihidroksiaseton sebagai bagian dari pesawat ulang-alik gliserol-3-fosfat), maka ATP pertama tidak terbentuk. dan hanya dua sisa ATP per dua elektron yang ditransfer terbentuk. ATP kedua terbentuk ketika dua molekul sitokrom b masing-masing mentransfer satu elektron ke dua molekul sitokrom c. ATP akhir terbentuk ketika dua molekul sitokrom a3 mentransfer dua elektron ke molekul oksigen untuk membentuk air (dengan dua proton yang berasal dari buffer umum matriks mitokondria). Dalam setiap langkah di mana ATP terbentuk, lebih banyak energi dilepaskan daripada yang bisa ditangkap dalam satu ATP disintesis, tetapi pada langkah ini khususnya, pelepasan besar energi terjadi, sama dengan sekitar 23,8 kkal / mol substrat. Ini adalah energi yang cukup untuk mensintesis hampir tiga ATP, tetapi hanya satu yang benar-benar terbentuk. Sisa energi dihamburkan sebagai panas. Serangga, seperti organisme biologis lainnya, hanya mampu menangkap sekitar 40% energi dalam molekul glukosa sebagai ATP.

Proline sebagai Bahan Bakar untuk Penerbangan


Proline asam amino adalah bahan bakar metabolik utama untuk lalat tsetse (Bursell, 1963, 1965, 1966, 1981), untuk orang dewasa kumbang kentang Colorado, Leptinotarsa decemlineata (DeKort et al., 1973; Khan dan DeKort, 1978; Mordue dan DeKort, 1978; Weeda et al., 1980), beberapa kumbang dalam keluarga Scarabaeidae (Pearson et al., 1979), termasuk Melolontha melolontha, Heliocopris dilloni, dan Popillia japonica, dan beberapa kumbang dalam keluarga Cerambycidae (Gäde dan Auerswald , 2000). Pada kumbang bertanduk panjang Afrika Selatan, spinator Phryneta, sekitar 50% karbohidrat dan 40% prolin di hemolimfa dimetabolisme untuk mendukung 5 menit penerbangan, dan alanin meningkat. Peningkatan alanin diharapkan ketika prolin dimetabolisme untuk energi karena reaksi transaminasi di mana gugus amino dari asam glutamat ditransfer ke asam pyuvic, menciptakan alanin dan α-ketoglutarat sebagai berikut:
Metabolisme proline lengkap melepaskan hingga 14 mol ATP / mol proline dan merupakan proses mitokondria, sehingga metabolisme penerbangan dan proline terkait dan bergantung pada pasokan oksigen yang kaya ke otot terbang. Jalur untuk metabolisme prolin, diusulkan sebagian oleh Bursell (1967), ditunjukkan pada Gambar 7.13. Proline siap memasuki mitokondria dan pertama teroksidasi menjadi glutamat (Bursell, 1967) oleh dehidrogenase prolin yang sangat aktif yang terletak di mitokondria otot lalat tsetse terbang. Flavoprotein menerima dua elektron dan dua proton yang dikeluarkan. Glutamat kemudian mengalami reaksi transaminasi dengan piruvat untuk menghasilkan α-ketoglutarat dan alanin. The α-ketoglutarat yang terbentuk adalah komponen normal dari siklus Krebs dan mudah dimetabolisme oleh jalur siklus.

Salah satu produk dari metabolisme proline, alanin, dengan cepat dikeluarkan dari otot dan diangkut ke tubuh lemak di mana, dengan penambahan unit 2-karbon yang berasal dari asam lemak, diubah menjadi prolin lagi. Kemudian dapat diangkut ke otot untuk mengulangi reaksi siklus prolin. Dengan demikian, jalur proline merupakan suatu antar-jemput untuk mentransfer unit 2-karbon dari tubuh lemak ke otot untuk metabolisme (Candy, 1989). Penjumlahan reaksi adalah sebagai berikut:
Tidak ada penjelasan yang memuaskan yang ditawarkan mengapa beberapa serangga menggunakan prolin, sementara yang lain menggunakan glukosa atau metabolisme lipid, yang keduanya menghasilkan jumlah ATP per mole substrat lebih besar dari prolin. Mungkin banyak serangga memetabolisme sejumlah kecil prolin di awal penerbangan untuk memimpin siklus Krebs. Bukti untuk penggunaan prolin dengan cara ini telah diperoleh untuk lalat rumah, Musca domestica, lalat, P. regina dan Sarcophaga nodosa, dan belalang Schistocerca gregaria (Sacktor dan Wormser-Shavit, 1966). Pada serangga ini ada hilangnya awal prolin selama menit pertama penerbangan, dengan semuanya beralih dengan cepat ke karbohidrat, dan belalang akhirnya beralih ke lipid jika penerbangan berlanjut selama satu jam atau lebih. Dengan demikian, mungkin semacam preadaptation dari enzim yang diperlukan mungkin telah hadir dalam evolusi awal serangga. Beberapa serangga bergantung pada jalur proline untuk pelepasan energi, tetapi karena jalur melepaskan jauh lebih sedikit ATP per mol, substrat awal dimetabolisme, itu mungkin dipilih terhadap selebaran yang sangat kuat dan lebih jauh. Beberapa upaya untuk menghubungkan metabolisme proline dengan perilaku pemberian makan darah lalat tsetse tidak lagi tampak dapat dipertahankan mengingat beberapa kumbang yang sekarang diketahui menggunakan prolin.

Metabolisme proline tunduk pada kontrol oleh tingkat seluler ADP. Peningkatan ADP merangsang oksidasi proline, sementara glutamat yang dihasilkan dari oksidasi menghambat melalui mekanisme umpan balik. Isolated mitochondria dari blowfly, P. regina, dirangsang oleh penambahan ADP (Hansford dan Sacktor, 1970), yang secara allosterikal menurunkan Km dehidrogenase proline yang nyata untuk prolin dari 33 mM menjadi 6 mM. Ini mungkin signifikan untuk blowfly karena konsentrasi prolin dalam jaringan otot penerbangan ditemukan antara 6 hingga 7 mM (Sacktor dan Wormser-Shavit, 1966). Efek serupa dari ADP pada metabolisme mitokondria prolin ditunjukkan untuk lalat tsetse, (yang lain) blowfly, dan lalat rumah, tetapi tidak untuk belalang. Tindakan stimulasi ADP mungkin merupakan titik kontrol untuk oksidasi prolin pada serangga utuh, karena ADP diperkirakan akan terakumulasi pada saat inisiasi penerbangan. Glutamat terbentuk dari prolin oksidasi menghambat dehidrogenase prolin oleh umpan balik negatif. ADP dapat melawan penghambatan glutamat, yang membantu lalat tsetse menggunakannya sebagai bahan bakar penerbangan utamanya.

Mobilisasi dan Penggunaan Lipid untuk Energi Penerbangan

Lepidoptera dewasa, beberapa Orthoptera, dan beberapa serangga lain dapat menggunakan asam lemak sebagai bahan bakar penerbangan, dan orang yang diberi makan dengan baik umumnya memiliki lipid yang cukup dalam tubuh untuk mendukung penerbangan untuk waktu yang jauh lebih lama daripada yang dapat didukung oleh pasokan karbohidrat yang tersedia. Metabolisme asam lemak untuk mendukung penerbangan, bagaimanapun, menyajikan beberapa masalah. Hampir semua asam lemak disimpan dalam sel-sel tubuh lemak sebagai triasilgliserol dan dengan demikian sebelum mereka dapat dimetabolisme, mereka harus dilepaskan dari sel-sel tubuh lemak dan diangkut ke otot-otot. Pelepasan lipid dari sel-sel lemak tubuh di bawah kendali hormon peptida, hormon adipokinetik, disekresikan dari cardiaca corpora. Tindakan AKH, dimediasi melalui partisipasi cAMP pada membran sel tubuh lemak dan aktivasi berikutnya dari lipase, menyebabkan pelepasan diasilgliserol dari sel-sel lemak tubuh. Diacylglycerol dirilis diangkut melalui media berair, hemolymph, ke otot penerbangan toraks. Lipase membran luar otot lain melepaskan dua asam lemak, yang sekarang harus memiliki bantuan dalam melintasi membran mitokondria. Metabolisme asam lemak adalah proses mitokondria, dan pengiriman oksigen yang efisien ke otot terbang merupakan preadaptation terhadap evolusi metabolisme lipid oleh otot terbang.

a. Kontrol Hormonal Mobilisasi Lipid
Hormon adipokinetik (AKH), hormon dekapeptida yang disintesis dalam sel neurosekresi di salah satu bagian dari corpora cardiaca (CC) dan dikeluarkan dari CC (Beenakkers et al., 1986), mendorong pelepasan cepat diasilgliserol dari sel-sel lemak tubuh. Stimulus untuk sekresi AKH dari corpora cardiaca tidak didefinisikan dengan baik, tetapi mungkin kontrol saraf yang terkait dengan aktivasi otot dada yang terlibat. Peptida AKH telah diisolasi dari sejumlah serangga dan urutan asam amino menunjukkan mereka semua anggota dari keluarga yang sama dari neurohormones, dan mereka umumnya memiliki reaktivitas silang (Nijhout, 1994). Peptida memiliki 8 hingga 10 asam amino, tergantung pada spesies dari mana AKHs yang berbeda telah diisolasi. Struktur khas, yaitu dari Locust AKH-1, adalah H2N-Thr-Gly-Trp-Asn-Pro-Thr-Phe-Asn-Leu-PCA.
Pyrrolidone carboxylic acid (PCA), di ujung terminal karboksi, terbentuk dari asam amino glutamin, juga kadang-kadang ditampilkan sebagai pGLU (pyroglutamate tersiklisasi). Baik nama dan simbol berdiri untuk struktur kimia yang sama, dan semua AKH yang terisolasi memiliki asam amino yang dimodifikasi ini di ujung terminal karboksi. Asam amino di terminal amino bervariasi dengan spesies. Sebuah radioimmunoassay spesifik untuk AKH telah dikembangkan (Fox dan Reynolds, 1990).

AKH yang beredar melalui hemolimosis berikatan dengan reseptor di permukaan sel-sel tubuh lemak, dan mengaktifkan adenilsiklase untuk menghasilkan cAMP sebagai pembawa pesan kedua. Pada gilirannya, cAMP mengaktifkan lipase yang menghilangkan satu residu asam lemak dari triacylglycerol, bentuk penyimpanan lipid dalam lemak tubuh. Diacylglycerol (DAG) yang dihasilkan dilepaskan dari sel-sel tubuh lemak untuk diambil oleh partikel-partikel lipoprotein high-density (unloaded apoLp-A) pada antarmuka permukaan sel tubuh lemak hemolymph. Partikel lipophorin juga memuat lipoprotein hemolimik kecil yang bersirkulasi (apoLp-III) untuk membentuk partikel lipophorin densitas rendah (LDLp). Partikel LDLp ini diangkut ke otot-otot penerbangan. Prosesnya dirangkum pada Gambar 7.14.

b. Transportasi Lipid oleh Lipophorin
Serangga mengangkut lipid melalui hemolimfa encer sebagai kompleks lipoprotein yang disebut lipophorins. Berbagai lipid telah ditemukan dalam partikel lipophorin, termasuk hidrokarbon, fosfolipid, dan tri- dan diasilgliserol, tetapi yang ditakdirkan untuk metabolisme dalam otot terbang adalah diasilgliserol. Ada tiga protein yang diidentifikasi terkait dengan lipophorin: apoLp-I, apoLp-II, dan apoLp-III. ApoLp-III berasosiasi secara reversibel dengan lipophorin yang diacylglycerol dan terdisosiasi dari lipophorin dalam keadaan tanpa muatan. Tampaknya diperlukan untuk menstabilkan partikel lipophorin-diasilgliserol yang dimuat. ApoLp-I dan II tetap dalam struktur lipophorin di kedua negara dimuat dan diturunkan.

Meskipun struktur lipophorins dapat bervariasi, tampak bahwa, secara umum, mereka memiliki inti hidrofobik hidrokarbon, lapisan tengah diacylglycerol, dan monolayer permukaan terdiri dari fosfolipid dan apolipoprotein. Berbeda dengan situasi di vertebrata, lipophorin serangga tidak terdegradasi setelah memberikan beban lipid ke otot (atau jaringan lain), tetapi bersirkulasi di hemolymph. Lipophorin yang dibongkar dapat mengambil lebih banyak lipid diet di midgut atau kembali ke tubuh lemak untuk beban baru lipid (Chino dan Kitazawa, 1981; Chino, 1985; Surholt et al., 1991; Van Heusden et al., 1991; Gondim et al., 1992). Pemuatan partikel lipophorin yang sudah ada, sebagai lawan untuk mensintesis partikel baru, adalah salah satu adaptasi yang dikembangkan oleh serangga untuk memfasilitasi mobilisasi lipid secara cepat untuk penerbangan (Blacklock dan Ryan, 1994). Sebuah tinjauan rinci tentang lipophorin serangga dan fisiologi terkait telah disajikan oleh Blacklock dan Ryan (1994).

c. Aktivasi Asam Lemak, Masuk ke Mitokondria, dan β-Oksidasi
Pada antarmuka sel otot hemolimf-flight, DAG diturunkan di bawah pengaruh AKH (Wheeler, 1989), protein apoLp-III berdisosiasi dari lipophorin, dan partikel highdensity lipoprotein yang tersisa (HDLp-A) dialirkan kembali melalui hemolimfa untuk mengangkut DAG lagi, baik dari usus ke tubuh gemuk atau dari tubuh gemuk ke otot. Lipase yang terikat membran dalam jaringan otot penerbangan memiliki afinitas tinggi untuk diasilgliserol, melepaskan asam lemak dan gliserol dari diacylglycerol yang terikat pada lipoprotein A +, kompleks transport lipoprotein, sangat cepat (Wheeler dan Goldsworthy, 1985; Van Heusden et al., 1986). Gliserol yang dihasilkan dari hidrolisis dapat terfosforilasi dan dimetabolisme untuk energi (seperti gliserol-3-fosfat) atau kembali ke tubuh lemak di mana ia dapat digunakan lagi untuk membentuk triasilgliserol. Asam lemak bebas terikat pada protein intraseluler di belalang, S. gregaria (Haunerland dan Chisholm, 1990), yang membantu memindahkannya melalui media berair sitoplasma sel ke tempat metabolisme, mitokondria. Asam lemak harus diaktifkan untuk melewati membran mitokondria.

  1. Aktivasi asam lemak dalam sitoplasma serabut otot dan masuk ke mitokondria. Urutan reaksi yang mengarah ke β-oksidasi dalam mitokondria ditunjukkan pada Gambar 7.15. Asam lemak dalam sitoplasma harus dikomplekskan dengan vitamin karnitin untuk melintasi membran mitokondria. Dalam sitoplasma, asam lemak diaktifkan oleh reaksi dengan koenzim A (CoA) dan ATP untuk membentuk turunan lemak asil CoA. Reaksi biaya setara dengan dua ATP per molekul asam lemak diaktifkan karena hasil reaksi di AMP dan PPi sebagai oleh-produk daripada ADP. Dua ATP akan diperlukan untuk memfosforilasi AMP dalam proses pengisian pasokan ATP untuk reaksi tambahan.
  2. Karnitin dikomplekskan dengan keberadaan karnitin asil tranferase ke Coen lemak asil aktif, dengan pelepasan CoA. CoA sekarang dapat berpartisipasi dalam aktivasi asam lemak lain dalam sitoplasma, sedangkan derivatif lemak asil karnitin melewati membran mitokondria luar dan dalam. Di dalam mitokondria pada permukaan bagian dalam membran bagian dalam, karnitin dilepaskan dan asetil CoA bereaksi dengan asam lemak untuk mengaktifkannya kembali. Karnitin kembali ke sitoplasma dan tersedia untuk membantu masuknya molekul lain dari asam lemak aktif. Molekul lemak asil CoA, sekarang dalam matriks mitokondrion, mengalami reaksi lebih lanjut yang menyebabkan β-oksidasi dan penghilangan unit CoA asetil yang siap memasuki reaksi oksidatif siklus Krebs. Reaksi berikut diperlukan.
  3. Dehidrogenasi dengan FAD sebagai kofaktor: Reaksi matriks pertama. Reaksi matriks awal adalah dehidrogenasi (oksidasi) di mana ikatan ganda diperkenalkan pada β-karbon. FAD adalah akseptor elektron dan proton. FADH2 yang berkurang mentransfer elektronnya melalui sistem transpor elektron, yang akan menghasilkan produksi dua ATP / dua elektron yang ditransfer. 
  4. Penambahan air ke molekul asam lemak yang diaktifkan. Air ditambahkan melalui ikatan ganda yang diperkenalkan pada Langkah 3, sehingga mengurangi asam lemak, tetapi tidak ada masukan atau pelepasan energi yang signifikan yang terjadi.
  5. Dehidrogenasi untuk menghasilkan bentuk ß-keto dari molekul. Asam lemak aktif teroksidasi lagi, tetapi kali ini dua elektron dan dua proton dikeluarkan dari karbon yang sama, karbon-3, meninggalkan kelompok β-keto pada posisi ini (Gambar 7.15). NAD + berpartisipasi dalam reaksi ini dan NADH yang dihasilkan melewati dua elektronnya melalui rantai transpor elektron dengan produksi tiga ATP.
  6. β-oksidasi. Asetil CoA dibelah dari rantai asam lemak, dengan CoA kedua yang berpartisipasi dalam reaksi sehingga asam lemak (sekarang minus dua karbon) dibiarkan dalam bentuk aktif. Molekul lemak asil lemak yang baru dan lebih pendek ini mengulangi reaksi dari Langkah 1, 2, 3, dan 4. Molekul asil lemak asil yang diperpendek terus mengulangi langkah-langkah ini, menjadi lebih pendek oleh dua karbon setiap kali sebagai asetil lain CoA dikeluarkan darinya, sampai pada bagian terakhirnya melalui langkah-langkah, ketika hanya empat karbon dari molekul asli yang tersisa, ia akan menghasilkan dua molekul acetyl CoA sebagai berikut: 
  7. Energi berasal dari metabolisme asam lemak. Metabolisme asam lemak menghasilkan lebih banyak ATP per mol asam lemak yang dimetabolisme daripada yang dapat berasal dari metabolisme glukosa. Setiap FADH2 dari oksidasi pada Langkah 3 menghasilkan dua molekul ATP sebagai elektron melewati rantai transpor elektron dan, sama, masing-masing NADH dari Langkah 5 menghasilkan tiga ATP. Setiap koil asetil yang dilepaskan dari molekul asam lemak menghasilkan 12 ATP dari oksidasi melalui siklus Krebs. Karena asam lemak harus melewati berturut-turut melalui Langkah 3, 4, 5, dan 6 setiap kali unit 2-karbon dilepaskan oleh β-oksidasi, lima ATP akan diproduksi dengan setiap lulus. Asam lemak harus membuat lompatan (n / 2 - 1) (n = jumlah karbon dalam asam lemak asli). Skema ini didasarkan pada metabolisme asam lemak dengan jumlah karbon bahkan, tetapi umumnya ini adalah yang ditemukan di kedua tanaman dan lemak hewan. Selain itu, setiap unit 2-karbon melewati siklus Krebs akan menghasilkan 12 ATP. Jadi, total ATP yang diproduksi untuk asam palmitat dengan 16 karbon, sebagai contoh, ketika telah dimetabolisme sepenuhnya menjadi karbon dioksida dan air dapat dihitung dari persamaan berikut:
Ketika 7 FADH2 dan 7 NADH mentransfer elektron mereka melalui sistem transpor elektron, maka 35 ATP akan diproduksi. Setiap asetil CoA yang dimetabolisme melalui siklus Krebs akan menghasilkan 12 ATP, dan total 96 ATP dapat dihasilkan dari metabolisme 8 molekul CoA asetil oleh siklus TCA, sebagai berikut: 


Total ATP yang berasal dari metabolisme lengkap dari satu molekul asam palmitat akan menjadi 35 ATP + 96 ATP = 131 ATPs. Produksi bersih ATP akan menjadi 129 ATP karena 2 ATP diperlukan pada Langkah 1 untuk mengaktifkan asam lemak di sitoplasma.
      ATP yang diproduksi dalam reaksi-reaksi ini akan digunakan oleh ngengat terbang atau belalang untuk melatih otot-otot penerbangan, untuk memasok energi ke sistem saraf, dan untuk semua proses fisiologis tubuh lainnya yang harus berlangsung bahkan dalam penerbangan. Air metabolik yang dihasilkan sebagai hasil dari metabolisme hanya satu asam lemak (108 molekul H2O per molekul asam palmitat) adalah indikasi dari sejumlah besar air yang dapat diproduksi ketika serangga mampu memetabolisme lipid untuk terbang. Air metabolik adalah sumber daya berharga bagi serangga. Kepompong banyak serangga mengandung sejumlah besar lipid yang terakumulasi selama kehidupan larva, dan simpanan lipid yang besar ini dapat dimetabolisme secara perlahan selama transformasi pupa ke orang dewasa untuk menyediakan energi bagi sintesis baru dan perubahan sel, dan juga memasok air ke sistem tertutup.

      Sumber :
      Nation JL. 2008. Insect Physiology and Biochemistry Second Edition. New York: CRC Press.

      0 Comments