Konsep Tenaga dalam Makanan dari Perspektif Biokimia

Penulis: Dr. Suhana Mamat, PhD

Department of Biomedical Science
Kulliyyah of Allied Health Sciences, International Islamic University Malaysia (IIUM)

Konsep Umum Makanan dan Tenaga

Umumnya, semua orang akur bahawa, semua hidupan perlukan makanan. Ini adalah kerana makanan membekalkan tenaga. Konsep ini tidak terbatas kepada manusia dan organisma lain tetapi merangkumi mikroorganisma juga. Secara umumnya, tenaga yang wujud dalam suatu sistem yang tertutup tidak bertambah atau berkurang tetapi boleh berubah dari suatu bentuk ke bentuk yang lain. Ini merupakan hukum asas fizik berkenaan tenaga.

Terdapat dua kategori makhluk hidup, autotrof dan juga heterotrof. Hidupan autotrof berkeupayaan untuk menghasilkan makanan sendiri menggunakan unsur inorganik dengan bantuan cahaya matahari. Secara ringkasnya, hidupan autotrof menyimpan tenaga dari cahaya matahari dengan menukarnya kepada suatu bentuk tenaga kimia. Hidupan autotrof ini termasuklah tumbuhan dan sesetengah hidupan mikroorganisma seperti fungus dan bakteria. Dalam tumbuhan, proses ini dikenali sebagai fotosintesis. Proses ini menyimpan tenaga dalam bentuk kanji ataupun karbohidrat. Manusia tergolong sebagai heterotrof yang mana sumber makanan dan tenaga diperolehi daripada organisma lain. Dari sudut rantaian tenaga, kita boleh mengandaikan perubahan bentuk tenaga itu seperti berikut:

Matahari (tenaga solar)—> Autotroph (tenaga kimia) —> Heterotroph (tenaga kimia)

Apakah bentuk tenaga dalam badan, dan apakah fungsinya?

Di dalam sistem biologi, tenaga kimia ini disimpan di dalam struktur kimia tertentu. Terdapat beberapa bentuk tenaga kimia yang menyumbang kepada fungsi fisiologi badan manusia. Tenaga yang mungkin paling banyak disimpan adalah di dalam struktur yang dikenali sebagai ATP, iaitu singkatan kepada adenosine triphosphate. Dalam sistem biologi, ATP di anggap sebagai ‘matawang’ tenaga. Ini adalah kerana ATP boleh gunakan oleh kebanyakan sistem di dalam tubuh berbanding sebatian bertenaga lain seperti koenzim terturun (reduced coenzyme) yang hanya boleh digunakan oleh sistem tertentu sahaja. Oleh itu, tenaga daripada nutrient dalam makanan perlu ditukar kepada ATP terlebih dahulu sebelum boleh digunakan oleh sistem biologi.

Struktur ATP ditunjukkan dalam rajah di bawah. Ianya terdiri daripada tiga komponen utama iaitu gula pentose, base nitrogen (nucleobase) dan tiga kumpulan fosfat. Struktur ini hampir menyamai salah satu nukleotida yang membina struktur RNA, iaitu adenine (A). Perbezaannya ialah, ATP mempunyai tiga kumpulan fosfat berbanding hanya satu pada adenine. Dua daripada kumpulan fosfat pada ATP merupakan kumpulan fosfat yang mempunyai nilai tenaga yang tinggi. Apabila ikatan yang mengikat kumpulan fosfat tersebut pada struktur ATP diputuskan, jumlah tenaga yang tinggi akan dibebaskan dan boleh digunakan oleh sistem biologi untuk melakukan kerja.

Apakah yang Dimaksudkan dengan ‘Kerja’?

Sebarang aktiviti dalam sistem biologi boleh dikatakan sebagai kerja. Pada peringkat organisma, contoh kerja adalah kontraksi otot yang membolehkan pergerakan dilakukan. Pada peringkat mikro, di dalam sel misalnya, kerja yang memerlukan tenaga ini mungkin melibatkan pengangkutan sebatian tertentu keluar atau masuk ke dalam sel, aktiviti katalisis enzim, membina struktur DNA dan sebagainya. Di dalam kebanyakan kes, ATP membekalkan tenaga untuk kerja ini dilakukan. Rajah di bawah menunjukkan contoh bagaimana ATP digunakan untuk mengangkut ion natrium dan potasium merentasi membran sel. Kedua-dua ion ini menggunakan pam pengangkut yang di kenali sebagai Na⁺-K⁺ ATPase pump. Pam ini mempunyai enzim yang berupaya memutuskan ikatan fosfat bertenaga tinggi pada ATP dan menggunakan tenaga yang dibebaskan untuk mengangkut masuk ion potasium ke dalam sel dan mengangkut keluar ion sodium.

Apakah nutrient dalam makanan yang membekalkan tenaga?

Makanan seimbang adalah penting untuk menjamin kesihatan tubuh yang baik. Panduan makanan seimbang boleh dirujuk pada piramid makanan di atas.Terdapat pelbagai nutrien di dalam makanan. Namun, tidak semua nutrient membekalkan tenaga. Sebagai contoh, ada nutrien yang digunakan untuk membina struktur tubuh seperti membina tulang, otot dan membaiki sel-sel yang rosak. Manakala tenaga, dibekalkan oleh tiga jenis nutrient utama iaitu karbohidrat, lemak dan juga protein. Berdasarkan piramid makanan di atas, sumber makanan yang membekalkan karbohidrat seperti nasi, hasil bijirin (contohnya gandum) dan ubi perlu di ambil dalam jumlah yang paling banyak di sebabkan keperluan tenaga. Namun begitu, perlu di ingatkan bahawa, makanan yang membekalkan tenaga dalam bentuk lemak (makanan berlemak dan berminyak) hendaklah di ambil dalam kuantiti yang lebih kecil kerana lemak dalam kuantiti yang kecil membekalkan tenaga yang tinggi berbanding karbohidrat dalam kuantiti yang sama. Perlu diingatkan bahawa sebarang tenaga kimia yang masuk ke dalam badan, sekiranya tidak digunakan akan sentiasa disimpan, terutamanya dalam sel lemak. Jika berlebihan, akan membawa kepada obesiti.

Bagaimana pula dengan protein? Protein bukanlah nutrien untuk tenaga yang paling utama. Jika dirujuk pada piramid makanan di atas, makanan yang mengandungi protein (ikan, ayam, daging) berada agak di atas, iaitu perlu di ambil dalam kuantiti yang lebih kecil. Protein merupakan komponen utama yang membina struktur badan seperti otot. Namun begitu, dalam keadaan kekurangan tenaga, iaitu apabila sumber tenaga utama iaitu karbohidrat dan lemak sudah hampir habis digunakan, protein akan digunakan sebagai sumber tenaga. Dalam situasi yang lebih kritikal apabila kekurangan tenaga berlaku, seperti kebuluran untuk jangkamasa yang lama, struktur protein yang membina otot akan ‘dibinasakan’ untuk dijadikan sumber tenaga. Keadaan ini akan mewujudkan situasi yang dinamakan ‘wasting’ iaitu kehilangan struktur otot. Oleh itu, pembincangan protein sebagai sumber tenaga hanya terhad sampai di sini.

Bagaimanakah tenaga kimia dari makanan ditukar kepada ATP?

Ianya melibatkan beberapa proses yang umumnya merangkumi beberapa proses yang umumnya dikenali sebagai metabolisma. Terma ‘metabolisma’ merujuk kepada keseluruhan tindakbalas biokimia yang berlaku di dalam sesuatu organisma yang membolehkan kemandirian organisma tersebut. Pada peringkat sel, metabolisma terbahagi kepada dua, iaitu anabolisma dan katabolisma. Anabolisma ialah tindakbalas sintesis di dalam sistem biologi seperti sintesis DNA, RNA, protein, karbohidrat dan lemak. Kesemua tindakbalas ini memerlukan tenaga seperti ATP untuk berlaku. Sebaliknya, katabolisma ialah tindakbalas memecahkan molekul yang besar kepada komponen yang lebih kecil. Sebagai contoh, karbohidrat dipecahkan kepada monosakarida. Proses ini menghasil atau membebaskan tenaga, samada dalam bentuk ATP atau bentuk-bentuk lain seperti koenzim terturun ataupun haba.

Untuk memahami dengan lebih lanjut katabolisma yang menghasilkan ATP dari sudut biokimia, terlebih dahulu, perlu kita perlu mengingat kembali struktur sel eukariot. Struktur mitokondria juga perlu ditekankan di sini. Sila rujuk gambarajah sel eukariot di bawah:

Sel eukariot mempunyai membran plasma yang meliputi keseluruhan sitoplasma. Terdapat beberapa organel di dalam sel yang mewujudkan sub-ruang yang berbeza di dalam sel. Di dalam sel, penghasilan ATP berlaku terutamanya di dalam sitoplasma dan juga mitokondria. Makanan yang di makan akan melalui sistem penghadaman. Sistem ini memecahkan nutrien untuk tenaga kepada komponen yang lebih kecil untuk diserap ke dalam sistem pengaliran darah dan di bawa masuk ke dalam sel untuk proses seterusnya. Karbohidrat di pecahkan kepada monosakarida iaitu glukosa, fruktosa dan galaktosa. Monosakarida yang membina karbohidrat di dalam nasi contohnya, kebanyakannya adalah terdiri daripada glukosa. Oleh itu, setelah makan nasi, kandungan glukosa dalam darah (atau dikenali juga sebagai gula dalam darah) akan meningkat. Manakala lemak pula akan di serap dalam bentuk asid lemak. Kebanyakan nutrient ini akan di angkut ke organ hati sebelum seterusnya di bawa ke bahagian lain tubuh. Nutrien-nutrien ini akan melepasi membran plasma untuk masuk ke dalam sel menggunakan sistem tertentu.

Katabolisma glukosa bermula di dalam sitoplasma. Glukosa ialah sebatian yang mempunyai enam karbon atau dikenali juga sebagai gula heksosa. Rajah di bawah menunjukkan struktur glukosa:

Glukosa akan masuk ke dalam satu laluan katabolisma (catabolic pathway) yang dikenali sebagai glikolisis. Glikolisis memecahkan glukosa kepada dua molekul pyruvate yang hanya mempunyai tiga karbon. Penghasilan pyruvate disertai dengan penghasilan sebatian-sebatian bertenaga tinggi iaitu dua molekul ATP dan satu molekul NADH (koenzim terturun). Dalam keadaan oksigen yang cukup, pyruvate akan masuk ke dalam mitochondria dan ditukarkan kepada acetyl-coA. Acetyl-coA hanya mempunyai dua karbon sahaja. Ini bermakna, proses menukarkan pyruvate kepada acetyl-coA telah membuang satu karbon yang di bebaskan dalam bentuk gas karbon dioksida (CO₂). Proses ini juga menghasilkan NADH.

Katabolisma untuk asid lemak pula berlaku di dalam mitochondria. Rajah di bawah menunjukkan contoh struktur asid lemak:

Asid lemak dari sistem peredaran darah akan diangkut masuk ke dalam sitoplasma dan kemudiannya di angkut pula merentasi dua lapis membran mitokondria untuk berada di dalam mitosol. Asid lemak yang mempunyai rantaian hidrokarbon yang panjang dipecahkan di sini oleh satu laluan katabolisma yang dikenali sebagai b-oxidation. Setiap pusingan  b-oxidation akan menghasilkan acetyl-coA bersama-sama dengan dua jenis coenzim terturun, iaitu NADH dan FADH₂.

Setakat ini, katabolisma glukosa dan asid lemak telah menghasilkan tenaga dalam bentuk ATP dan juga koenzim terturun, NADH dan FADH₂. Saki-baki tenaga masih lagi boleh di ekstrak dari acetyl-coA. Langkah seterusnya, acetyl-coA akan masuk ke dalam satu kitaran metabolisma yang dinamakan sebagai kitaran Kreb (Kreb’s cycle). Di sini acetyl-coA ditukarkan kepada gas CO₂ dan proses tersebut menghasilkan ATP dan koenzim terturun, NADH dan FADH₂. Gas CO₂ akan dikeluarkan melalui sistem pernafasan. Setelah melalui kitaran Kreb, nutrien yang masuk ke dalam badan kita amnya, telah dibakar sepenuhnya.

Bagaimana ATP lebih banyak terhasil apabila bekalan oksigen di dalam sel cukup?

Lebih banyak ATP dihasilkan melalui satu rantaian yang kenali sebagai electron transport chain (ETC). ETC merupakan satu sistem yang mempunyai beberapa kompleks protein yang berada di sepanjang lapisan membran dalam mitokondria (lapisan membran luar tidak mempunyai sistem ini). Kebanyakan protein-protein ini juga, membentuk lorong yang membolehkan pergerakan ion hydrogen (H⁺) merentasi membran dalam mitokondria. Namun begitu, pergerakan ini adalah sehala sahaja, samada dari mitosol ke ruang antara dua membran, atau sebaliknya.

Apa yang berlaku ialah, koenzim terturun yang dihasilkan di dalam mitokondria (NADH, FADH₂) membawa tenaga di dalam bentuk elektron. Koenzim-koenzim ini akan ‘menyerahkan’ elektron-elektron tersebut kepada ETC. Perjalanan elektron dari satu kompleks protein ke kompleks protein yang lain di dalam ETC membebaskan tenaga yang akan di gunakan oleh H⁺ dalam mitosol untuk bergerak melalui lorong pada kompleks protein-protein ETC dan berkumpul di ruang antara dua membran mitokondria (intermembrane space). Pergerakan elektron dalam ETC berakhir pada kompleks protein yang dinamakan sebagai cytochrome oxidase. Di sini, elektron digunakan untuk menggabungkan molekul oksigen (O₂) dengan H⁺ yang berada dalam mitosol untuk menghasilkan molekul air (H₂O).

H⁺ yang berkumpul di ruang antara dua membran mitokondria mencipta satu daya merentasi membran dalam mitokondria. Daya ini dinamakan sebagai daya elektrokimia (electrochemical potential). Daya ini membolehkan H⁺ untuk bergerak masuk semula ke dalam mitosol melalui satu kompleks protein ETC yang dikenali sebagai ATP synthase. Pergerakan ini menghasilkan tenaga kinetik yang digunakan oleh ATP synthase untuk menggabungkan ADP (adenosine diphosphate) dan P_i (fosfat inorganik) yang berada di dalam mitosol untuk menghasilkan ATP. Untuk setiap satu molekul glukosa, katabolisma sehingga peringkat ETC boleh menjana kira-kira 32 molekul ATP. Untuk setiap molekul asid lemak pula, lebih banyak ATP di hasilkan, bergantung kepada kepanjangan rantaian asid lemak tersebut. Sebagai contoh, asid lemak dengan bilangan karbon sebanyak 12, akan menghasilkan enam molekul acetyl-coA, iaitu tiga kali ganda bilangan molekul aceyl-coA yang dihasilkan oleh satu molekul glukosa.

Kesimpulannya, makanan mengandungi tenaga kimia dalam bentuk karbohidrat, lemak dan juga protein. Proses biokimia dalam badan akan mengekstrak tenaga dari nutrient-nutrient tersebut dan menukarkannya kepada bentuk yang boleh digunakan oleh sistem di dalam badan. Bentuk utama dikenali sebagai ATP. Tenaga kimia yang masuk di dalam badan akan ditukarkan secara maksimum kepada ATP apabila sel di dalam badan mempunyai bekalan oksigen yang cukup. ATP akan digunakan apabila kita melakukan kerja. Jika tenaga kimia yang masuk ke dalam badan, lebih dari keperluan untuk ATP, sebatian yang mempunyai tenaga akan di tukarkan kepada asid lemak dan seterusnya ditukar kepada molekul lemak yang dikenali sebagai triacylglycerol (TAG) untuk di simpan di dalam sel lemak, adipocyte.